skript zur vorlesung oci - schwalbe...
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OC I Vorlesung - 2. Teil
Verantwortliche:
Prof. Dr. Harald Schwalbe Institut für Organische Chemie und Chemische Biologie Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt Max-von-Laue-Straße 7 N160, 313, 3. Stock D-60438 Frankfurt E-Mail: [email protected] Telefon: +49 69 7982 9737 Telefax: +49 69 7982 9515 Homepage: http://schwalbe.org.chemie.uni-frankfurt.de/ Isam Elamri [email protected] Andreas Hegelein [email protected] Alix Tröster [email protected]
Literaturvorschläge:
-„Organic Chemistry“ (bzw. „Organische Chemie“) von Clayden, Greeves, Warren, and
Wothers
-„Aspekte der Organischen Chemie“ von Quinkert, Egert und Griesinger
Wie sollten Sie dieses Skript verwenden?
Dieses Skript orientiert sich stark an der Vorlesung und ist in entsprechender
Reihenfolge gehalten. Es soll zur Wiederholung und Vertiefung der Vorlesung dienen.
Manchen Abschnitten sind Fragen und Aufgaben nachgestellt, die Sie nach Besuch
der Vorlesung und Lesen des Skriptes beantworten sollen könnten. Außerdem sind
Beispiele mit einem grünen Kasten versehen, wobei diese nicht auswendig gelernt,
das Prinzip jedoch verinnerlicht werden sollte.
Dieses Skript orientiert sich vor allem an den oben genannten Lehrbüchern unter
„Literaturvorschläge“. Eine aktive Bearbeitung dieser beiden Bücher kann das
Vorlesungsskript jedoch nicht ersetzen.
Trotz dieses Skriptes ist es ratsam, die Vorlesung zu besuchen und währenddessen
mitzuschreiben. Zum einen verändert sich die Vorlesung; neue Dinge kommen hinzu
und andere werden eventuell weniger intensiv besprochen. Zum anderen müssen Sie
lernen, die Strukturen von Verbindungen zu zeichnen. Nur durch die Übung werden
Sie in der Lage sein, dieses Werkzeug der Chemie sicher anwenden zu können. Durch
die Kombination aus Vorlesung, Nacharbeiten der eigenen Mitschrift und
Auseinandersetzung und Ergänzung mittels des Skriptes ergibt sich ein nachhaltiger
Lerneffekt. Die Konzepte, die Sie in der OCI-Vorlesung erlernt haben, werden Sie in
Ihrem Studium der Chemie, der Biologie, der Biochemie und der Physik benötigen.
Dank:
Die Vorlesung ist Teil des Lehrkonzepts der Organischen Chemie, dass von den
Professoren Quinkert, Egert, Engels, Göbel, Griesinger, Rehm, Schwalbe und Kessler
ausgearbeitet wurde. Das Vorlesungsskript wurde von Dr. Jan-Peter Ferner erarbeitet.
Robbin Schnieders, Alix Tröster und Florian Lehner haben das Vorlesungsskript
daraufhin aktualisiert.
H. Schwalbe
I
Inhaltsverzeichnis
1 Die Reaktivität organischer Moleküle __________________________________________ 1
Warum geschehen chemische Reaktionen? _____________________________________________ 1
Gleichgewichtsreaktionen ___________________________________________________________ 6
1.2.1 Triebkraft chemischer Reaktionen ________________________________________________ 8
1.2.2 Ungleichgewichtsreaktionen ____________________________________________________ 8
1.2.3 Theorie des Übergangszustands ________________________________________________ 10
Aufgaben _______________________________________________________________________ 11
Der Einfluss von Ladungen __________________________________________________________ 11
Der Einfluss von Orbitalen __________________________________________________________ 13
Das Nukleophil-Elektrophil-Modell ___________________________________________________ 14
Die Verwendung von gebogenen Pfeilen ______________________________________________ 16
Aufgaben und Regeln ______________________________________________________________ 20
2 Nukleophile Substitution ____________________________________________________ 21
SN1-Reaktionen___________________________________________________________________ 22
2.1.1 Geschwindigkeitsgesetz der SN1-Reaktion ________________________________________ 23
2.1.2 Stereochemie der SN1-Reaktion _________________________________________________ 25
2.1.3 Regeln für die SN1-Reaktion ____________________________________________________ 26
Carbokationen ___________________________________________________________________ 26
2.2.1 Struktur von Carbokationen ____________________________________________________ 26
2.2.2 Strategien zur Stabilisierung von Carbokationen ___________________________________ 27
2.2.3 Regeln zu Carbokationen ______________________________________________________ 29
SN2-Reaktionen___________________________________________________________________ 30
2.3.1 Geschwindigkeitsgesetz der SN2-Reaktion ________________________________________ 30
2.3.2 Stereochemie der SN2-Reaktion _________________________________________________ 32
2.3.3 Regeln für die SN2-Reaktion ____________________________________________________ 33
SN1 vs SN2 _______________________________________________________________________ 33
2.4.1 Die Struktur der Startmaterialien im Vergleich _____________________________________ 33
2.4.2 Lösungsmitteleffekte _________________________________________________________ 34
Abgangsgruppen bei nukleophilen Substitutionen _______________________________________ 35
3 Carbonylchemie ___________________________________________________________ 37
Nukleophile Angriffe an die Carbonylgruppe ___________________________________________ 39
3.1.1 O-Nukleophile _______________________________________________________________ 39
3.1.1.1 O in H2O als Nukleophil __________________________________________________ 40
3.1.1.2 O in Alkohole (R-OH) als Nukleophile _______________________________________ 42
II
3.1.2 Aufgaben___________________________________________________________________ 47
H-Nukleophile____________________________________________________________________ 47
3.2.1 Reaktivitäten unterschiedlicher Carbonylderivate __________________________________ 48
3.2.1.1 Reduktionen mit NaBH4 _________________________________________________ 54
3.2.1.2 Lithiumaluminiumhydrid (LiAlH4) als Reduktionsmittel _________________________ 55
3.2.2 Aufgaben___________________________________________________________________ 56
Das Cyanidion als C-Nukleophil ______________________________________________________ 57
Metallorganische Verbindungen als C-Nukleophile ______________________________________ 58
3.4.1 Die Grignard-Reaktion ________________________________________________________ 59
3.4.2 Organolithiumverbindungen ___________________________________________________ 60
3.4.3 Lösungsmittel für Reaktionen mit metallorganischen Verbindungen ___________________ 61
3.4.4 Kommerziell erhältliche Organolithium- und Grignard-Reagenzien ____________________ 61
3.4.5 Basizität der Organometallverbindungen _________________________________________ 62
3.4.6 ortho-Lithiierung_____________________________________________________________ 63
3.4.7 Halogen-Metall-Austausch _____________________________________________________ 63
3.4.8 Transmetallierung ___________________________________________________________ 64
3.4.9 Synthese organischer Verbindungen mittels Organometallverbindungen _______________ 65
3.4.9.1 Synthese von Carbonsäuren ______________________________________________ 66
3.4.9.2 Synthese primärer Alkohole ______________________________________________ 67
3.4.9.3 Synthese sekundärer (tertiärer) Alkohole ___________________________________ 68
3.4.9.4 Zusammenfassung ______________________________________________________ 69
3.4.9.5 Mechanismus der Addition von Organometall- an Carbonyl-Verbindungen ________ 70
3.4.10 Aufgaben ________________________________________________________________ 72
Die Wittig-Reaktion _______________________________________________________________ 73
3.5.1 Einführung _________________________________________________________________ 73
3.5.2 Darstellung des Wittig-Reagenzes bzw. des Ylids ___________________________________ 73
3.5.3 Mechanismus _______________________________________________________________ 74
3.5.4 Stereoselektivität ____________________________________________________________ 75
Bildung & Reaktion von Enolen und Enolaten __________________________________________ 79
3.6.1 Keto-Enol-Tautomerie ________________________________________________________ 79
3.6.1.1 Lage des Gleichgewichtes ________________________________________________ 80
3.6.2 Katalyse ____________________________________________________________________ 80
3.6.3 Azidität ____________________________________________________________________ 81
3.6.4 Struktur des Enolats __________________________________________________________ 82
3.6.5 Aufgaben___________________________________________________________________ 83
Chemie des Enolatanions ___________________________________________________________ 84
3.7.1 C-Alkylierung ________________________________________________________________ 88
3.7.2 O-Alkylierung _______________________________________________________________ 88
3.7.3 Vergleich der C- und O-Alkylierung ______________________________________________ 89
III
3.7.4 Regioselektivität der C-Alkylierung ______________________________________________ 91
Enolat-Analoga ___________________________________________________________________ 93
3.8.1 Enamine ___________________________________________________________________ 93
3.8.2 Enolester ___________________________________________________________________ 94
3.8.3 Silylenolether _______________________________________________________________ 94
Aufgaben _______________________________________________________________________ 95
1,3-Dicarbonylverbindungen/β-Dicarbonylverbindungen _______________________________ 96
3.10.1 Decarboxylierung __________________________________________________________ 97
3.10.2 Doppelalkylierung von 1,3-Dicarbonylverbindungen _____________________________ 100
α,β-ungesättigte Carbonylverbindungen ___________________________________________ 101
3.11.1 1,4-Addition _____________________________________________________________ 102
3.11.1.1 Synthesebeispiel: Prostaglandine ________________________________________ 102
Die Aldolreaktion (Aldolddition + Aldolkondensation) ________________________________ 104
3.12.1 Basenkatalysierte Aldoladdition und –kondensation ____________________________ 104
3.12.2 Säurekatalysierte Aldoladdition und -kondensation _____________________________ 105
3.12.3 Vergleich der Katalysemechanismen _________________________________________ 106
3.12.4 Aldolreaktion mit unsymmetrischen Ketonen __________________________________ 107
3.12.5 Gekreuzte Aldolreaktion ___________________________________________________ 108
3.12.6 Aldolreaktion von Formaldehyd _____________________________________________ 110
3.12.7 Aufgaben _______________________________________________________________ 113
Mannich-Reaktion _____________________________________________________________ 113
Claisen-Esterkondensation ______________________________________________________ 116
3.14.1 Dieckmann-Kondensation __________________________________________________ 117
Michael-Addition ______________________________________________________________ 119
Zusammenfassung der Enolat-Reaktionen __________________________________________ 120
Aufgaben ____________________________________________________________________ 120
4 N-Nukleophile ___________________________________________________________ 121
Primäre Amine __________________________________________________________________ 121
Sekundäre Amine ________________________________________________________________ 124
4.2.1 Aufgaben__________________________________________________________________ 125
5 Diels-Alder-Reaktion (4 + 2-Cycloaddition) _____________________________________ 126
Diels-Alder-Reaktion mit normalem Elektronenbedarf __________________________________ 126
Diels-Alder-Reaktion mit inversem Elektronenbedarf ___________________________________ 127
Anlagerung der Reaktanden _______________________________________________________ 128
5.3.1 CIS-Prinzip _________________________________________________________________ 129
5.3.2 ENDO-Präferenz ____________________________________________________________ 129
6 Substitutionen am Aromaten _______________________________________________ 135
Elektrophile aromatische Substitution (SEAr) __________________________________________ 135
IV
6.1.1 Mechanismus ______________________________________________________________ 135
6.1.2 Reaktionsbedingungen _______________________________________________________ 136
6.1.2.1 Das Elektrophil ________________________________________________________ 136
6.1.2.2 Die Abgangsgruppe ____________________________________________________ 137
6.1.2.3 Die Substituenten _____________________________________________________ 137
6.1.3 Reaktionskinetik ____________________________________________________________ 141
6.1.4 Friedel-Crafts-Alkylierung _____________________________________________________ 141
6.1.5 Friedel-Crafts-Acylierung _____________________________________________________ 142
Nukleophile aromatische Substitution (SNAr) __________________________________________ 143
6.2.1 Mechanismus ______________________________________________________________ 143
6.2.2 Reaktionsbedingungen _______________________________________________________ 144
6.2.2.1 Abgangsgruppen ______________________________________________________ 144
6.2.2.2 Elektronenziehende Substituenten _______________________________________ 145
1
1 Die Reaktivität organischer Moleküle
Kapitel 5 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie 2013, 2. Auflage, Springer Verlag
Chapter 5 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organic Chemistry 2001, 1. Auflage, Oxford
Während der erste Teil dieser Vorlesung die Klassifizierung chemischer Strukturen
beinhaltet, beschäftigt sich dieser zweite Vorlesungsteil mit den Reaktionen, die
Moleküle eingehen können. Hierbei soll zunächst auf die Frage eingegangen werden,
warum Moleküle überhaupt miteinander reagieren. So befasst sich dieses Kapitel mit
den Triebkräften, die eine Reaktion erst möglich machen. Dabei werden wichtige
Konzepte vorgestellt, die für das Verständnis von Reaktionen unerlässlich sind. So
werden beispielsweise Gleichgewichtsreaktionen, Nukleophile, Elektrophile und die
Verwendung von gekrümmten Pfeilen zur Darstellung von Reaktionsmechanismen
behandelt.
Warum geschehen chemische Reaktionen?
Die erste Voraussetzung dafür, dass chemische Reaktionen stattfinden können, ist die
thermische Bewegung der Moleküle im Raum. In der Vorlesung „Physikalische Chemie
I“ wird die Maxwell-Boltzmann-Verteilung als Theorie für ideale Gase eingeführt.
Moleküle in idealen Lösungen verhalten sich ebenfalls wie Gase und folgen daher der
in Abbildung 1 dargestellten Geschwindigkeitsverteilung.
Abbildung 1 Maxwell-Boltzmann-Geschwindigkeitsverteilung für ideale Gase. Aufgetragen ist der Anteil der Moleküle gegen die Geschwindigkeit bei den konstanten Temperaturen 100 K, 300 K und 1000 K.
0,000,501,001,502,002,503,003,504,00
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Ant
eil d
er M
olek
üle
Geschwindigkeit/ m/s
100 K
300 K
1000 K
10-3
2
Weiterhin geht aus Abbildung 1 hervor, dass die Geschwindigkeitsverteilung der
Moleküle von der Temperatur abhängt, weshalb auch chemische Reaktionen
temperaturabhängig sind.
Sie haben bereits im ersten Teil der Vorlesung gelernt, dass Moleküle eine
charakteristische Stereochemie aufweisen. Darüber hinaus haben Moleküle auch eine
Reaktivität. Eine wichtige Grundlage zum Verständnis von Reaktivitäten ist die MO-
Theorie, die ebenfalls im ersten Teil der Vorlesung behandelt wurde.
Betrachten wir nun die Reaktion zweier Moleküle, wobei es zur Knüpfung von neuen
Bindungen und folglich zum Entstehen von Produkten kommt. Schematisch lässt sich
dies wie folgt beschreiben:
Ausgangssubstanz
Reaktand (Reaktion)
Edukt
Substrat
Abbildung 2 Allgemeines Schema zur Beschreibung einer Reaktion.
In diesem Kontext lassen sich in der organischen Chemiedrei grundlegende
Fragestellungen formulieren. Diese sollen im Folgenden zunächst beschrieben und
dann in einem Schema verdeutlicht werden:
• Im einfachsten Fall gilt es, eine Vorhersage über die Produkte einer Reaktion
treffen zu können. Die Edukte A reagieren hierbei unter bestimmten
Reaktionsbedingungen x zu unbekannten Produkten.
• Eine weitere Problemstellung ist die Frage nach den Reaktionsbedingungen,
unter welchen die Umsetzung der Edukte A zu den Produkten B erfolgt.
• Weiterhin existiert, zum Beispiel, wenn man einen komplexen Naturstoff isoliert
hat, die Fragestellung, woraus dieses Molekül entstanden sein könnte und unter
welchen Bedingungen dies möglicherweise geschah.
Produkt
?A X→
BA ?→
B? ?→
3
Diese Zielsetzung der organischen Chemie wird Retrosynthese bezeichnet und stellt
unter den drei hier aufgeführten Punkten den anspruchsvollsten dar.
Dabei wird die Reaktion nun wie folgt beschrieben:
Der neue Pfeil repräsentiert den gedanklichen Schritt der Analyse, aus welchen
Vorläufermolekülen eine komplexe organische Verbindung hergestellt werden könnte.
Kommt es im Zuge einer Reaktion zu einer Bindungsspaltung, so kann diese
homolytisch oder heterolytisch geschehen. Dabei entstehen, wie in Abbildung 3
gezeigt, Radikale oder Ionen.
X Y
X Y
X+
Y
+
+
homolytisch (Radikale)
heterolytisch (Ionen)
Abbildung 3 Übersicht zur Bindungsspaltung.
Im nachstehenden Absatz soll grundlegendend und allgemein behandelt werden, wie
chemische Reaktionen passieren können.
Eine entscheidende Rolle bei der Ausbildung chemischer Reaktionen stellt die
thermische Bewegung der Moleküle (siehe Abbildung 1) und daraus folgend deren
Zusammenstöße dar. Aber führt jeder Zusammenstoß zweier Moleküle zu einer
Reaktion?
Alle Moleküle besitzen eine Hülle aus negativ geladenen Valenzelektronen, die die
bindenden und nicht-bindenden Orbitale besetzen. Bei einer Reaktion kommen die
Reaktionspartner in unmittelbare Nähe und müssen die Repulsion, die zwischen den
negativen Hüllen entsteht, überwinden.
Reaktionen werden nur stattfinden, wenn die Moleküle genug Energie besitzen, um
diese Energiebarriere zu überwinden. Verfügen sie bei einem Zusammenstoß nicht
über diese notwendige Aktivierungsenergie, dann überwiegt die Repulsion, und es
findet keine Reaktion statt. In einem solchen Fall kommt es zu einem elastischen Stoß,
wobei die Impulserhaltung gilt, es aber zu keinerlei chemischer Reaktion kommt.
Vergleichen lässt sich dies mit der Kollision zweier Billardkugeln, wobei sich nur der
Impuls derselben verändert (siehe Abbildung 3). Es kommt demnach zu einem
Energietransfer, die kinetische Energie bleibt erhalten.
Ist die kinetische Energie ausreichend, um die Aktivierungsenergie einer Reaktion zu
überwinden, findet diese statt. Als anschauliches Modell wird in diesem Fall die
X Retrons
4
Kollision zweier Wackelpuddinge herangezogen. Ist die kinetische Energie hier
ausreichend, bleiben die Puddinge aneinander haften und werden zu einem großen
Ganzen (Abbildung 4). Es hat also eine Reaktion stattgefunden.
Abbildung 4 Übersicht über erfolgreiche und nicht erfolgreiche Kollisionen von Teilchen anhand der Modelle „Billardkugel“ und „Wackelpuddinge“. Dass bei letzterem eine Reaktion stattgefunden hat wird durch die Farbänderung von blau und rot nach lila symbolisiert.
Eine andere Darstellung dieses Phänomens ist die des energetischen
Übergangszustandes, die am Beispiel der einfachsten möglichen Reaktion diskutiert
wird.
Die Austauschreaktion eines 1H im Wasserstoffmolekül gegen ein Deuterium
(2H = D) läuft beispielsweise wie folgt ab:
H H D H D H
. . .+ +
rHH
rHD
Abbildung 5 Gleichung der Reaktion eines Wasserstoffmoleküls mit einem Deuterium-Radikal.
Der erste Schritt der Reaktion H2 + D· -> HD + H· ist die Ausbildung eines höher-
energetischen Übergangskomplexes HHD, der in Richtung der Edukte oder Produkte
zerfallen kann. Während sich das Deuteriumradikal einem der Wasserstoffatome
nähert (rHD wird kleiner), vergrößert sich der Abstand der Atome im H2-Molekül (rHH
wird größer). Der Reaktionsverlauf wird auf einer Energiehyperfläche G(rHH,rHD)
5
wiedergegeben (siehe Abbildung 6). Unter der Annahme, dass der HHD-Komplex
linear ist, hängt diese Energiehyperfläche in guter Näherung nur vom Abstand rHH und
rHD ab. Damit Atome und Moleküle reagieren können, müssen sie, wie oben
beschrieben, eine Aktivierungsenergie besitzen, die zu einem „erfolgreichen“ Stoß
führt.
Abbildung 6 Verlauf der potentiellen Energie während der Reaktion H–H + D⋅ → H⋅ + H–D.
Der Übergangskomplex ist zunächst experimentell nicht erfassbar, wird aber als
existent und als im Gleichgewicht befindlich mit Edukten und Produkten angenommen.
Abbildung 7 a) Zusammenhang zwischen Energieverlauf einer Reaktion und den Potentialen für Bindungsbruch und Bindungsbildung, b) Energiediagramm einer Einstufenreaktion.
Es gilt für den Übergangszustand (ÜZ):
- Sattelpunkt des Reaktionsverlaufs (siehe Abbildung 7 b)
- kein isolierbares Zwischenprodukt
- Lebensdauer τÜZ ~ 10-12 s
- Energiedifferenz zwischen Edukten und ÜZ → Aktivierungsenthalpie ∆G�→Ü�‡
- Energiedifferenz zwischen Edukt und Produkt → Reaktionsenthalpie ∆G�→�‡
6
Die Reaktionskoordinate ist definiert als diejenige Koordinatenänderung eines oder
mehrerer Atome, die Edukt und Produkt auf dem Weg geringster schrittweiser Energie-
änderung verknüpft.
Im folgendem wird diskutiert, wie man ∆G‡ und ∆G berechnen kann und was man mit
diesen beiden Größen vorhersagen kann für Reaktionen.
Gleichgewichtsreaktionen
In chemischen Reaktionen stehen Edukte und Produkte miteinander im Gleichgewicht,
Beispiel für eine Gleichgewichtsreaktion:
H+
RCOOH + R´OH RCOOR´ + H2O
Abbildung 8 Veresterung als Beispiel einer Gleichgewichtsreaktion.
Kleine Mengen an Säure beschleunigen die Gleichgewichtseinstellung, nicht aber die
Gleichgewichtslage. Es handelt sich bei der Zugabe von H+ demnach um einen
Katalysator. Die Funktionsweise eines Katalysators bezüglich der Energie ist in
nachstehender Abbildung gezeigt.
Abbildung 9 Energiediagramm einer katalysierten und einer unkatalysierten Reaktion.
7
Für Gleichgewichtsreaktionen lässt sich eine Gleichgewichtskonstante K berechnen:
Gleichgewichtskonstante: [ ][ ][ ][ ]R´OHRCOOH
OHRCOOR´K 2=
Die Gleichgewichtskonstante K ist unter anderem abhängig von Lösungsmittel,
Temperatur, Druck sowie den Konzentrationen von Edukten und Produkten.
Beziehung von ∆G zu K:
Tabelle 1 sind Beispielwerte für folgende Reaktion gezeigt.
Tabelle 1 Zahlenwerte von ∆G und K einer reversiblen Reaktion, GG: Gleichgewicht.
∆G (kcal mol-1) K %-Anteil von A im GG + 5.0 2.14⋅10-4 99.98 + 3.0 6.29⋅10-3 99.38 + 2.0 3.41⋅10-2 96.71 + 1.0 1.85⋅10-1 84.42 + 0.5 4.3⋅10-1 69.95
0 1 50 - 5.0 4.67⋅103 0.0214
Die Tabelle zeigt, dass eine Reaktion bei großen Beträgen von ∆G praktisch auf einer
Seite der Reaktionsgleichung liegt.
8
1.2.1 Triebkraft chemischer Reaktionen
Typische Bindungsenergien [kcal mol-1]:
C – C 81 O – O 33 C = C 148 N – N 38 C ≡ C 194 N ≡ N 226 C – O 84 C ≡ O 257 C = O 172 O = CO 128 C – H 100 H – H 104 O – H 110 Br – Br 46
Als Triebkraft einer chemischen Reaktion dient meist die Bildung sehr stabiler
funktioneller Gruppen oder kleiner Fragmentmoleküle, z.B. CO, N2, CO2,
Carbonylgruppe, R3P=O. So ist eine C=C Doppelbindung weniger als doppelt so stabil
wie eine C–C Einfachbindung, während eine C=O Doppelbindung mehr als doppelt so
stabil ist wie C–O Einfachbindung.
Abbildung 10 Beispielsrechnung für die Nutzung von Bindungsenergien.
1.2.2 Ungleichgewichtsreaktionen
Für vom Betrag nach große Werte von ∆G oder für Reaktionen, in denen ein
Reaktionspartner aus der Reaktion entweicht (Bsp. Gas) gilt: A → B; da es sich nicht
um Gleichgewichtsreaktionen handelt, sind im Prinzip 100 % Ausbeute möglich.
BA k→
9
Abbildung 11 Energiediagramm einer irreversiblen Reaktion mit der freien Aktivierungsenergie ∆G‡.
∆G‡ ist die freie Aktivierungsenthalpie. Ohne Barriere (∆G‡ = 0) würde die Reaktion
mit diffusionskontrollierter Geschwindigkeitskonstante ablaufen.
Aber: Meist sind mehrere Produkte möglich!
BAB´ kk´ →←
Das Produktverhältnis wird durch k und k´ gegeben.
⇒ Hier kann eine Reaktion kinetisch kontrolliert verlaufen!
Abbildung 12 Energiediagramm zweier irreversibler Konkurrenzreaktionen.
In Abbildung 12 sind zwei mögliche Reaktionsprodukte für A aufgezeigt, B und B’. B’
ist stabiler als B, sodass unter Gleichgewichtsbedingungen das Verhältnis [B]/[B’] aus
der Stabilität von B und B’ berechnet werden kann. Wählt man für die Durchführung
10
einer Reaktion Bedingungen, bei denen A im Gleichgewicht mit B und B’ steht, dann
nennt man die Reaktion thermodynamisch kontrolliert .
Die freien Aktivierungsenthalpien ∆G‡B und ∆G‡B’ unterscheiden sich. Das weniger
stabile B ist über den Reaktionspfad mit einer geringeren freien Aktivierungsenergie
mit A verknüpft als das stabilere B’ (∆G‡B < ∆G‡B’). Das heißt: Führt man einer Reaktion
nur so viel Energie zu, dass die Barriere zu B, nicht aber zu B’, überwunden werden
kann (wieviel, ist eine Funktion der Temperatur, siehe unten), so kann man selektiv
nur B erhalten oder zumindest B anreichern. Eine solche Reaktion nennt man
kinetisch kontrolliert .
1.2.3 Theorie des Übergangszustands
Wir betrachten die Reaktion von A nach B mit der Geschwindigkeitskonstanten k1 und
dem Übergangszustand A‡.
Beispielwerte (T = 298 K):
Tabelle 2 Halbwertszeiten von Reaktionen mit der Aktivierungsenergie ∆G‡.
∆G‡ [kcal mol-1] t1/2 10 ~10 µs 15 ~10 ms 20 ~1 min 25 ~20 h 30 ~10 Jahre
11
Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass die Reduktion von ∆G‡ um 5 kcal mol-1 eine
drastische Beschleunigung der Reaktion liefert.
Sie können nun ∆∆G‡ für zwei mögliche Reaktionen in Reaktionsraten umrechnen.
Aufgaben
zu den Kapiteln 1.1und 1.2 Fragen:
1. Was versteht man unter homolytischer und heterolytischer
Bindungsspaltung?
2. Was versteht man unter einer Reaktionskoordinate?
3. Stellen Sie zusammen, was Sie über den Übergangszustand einer Reaktion
wissen.
4. Nehmen Sie an, die Produkte einer Reaktion sind 5 kcalmol-1 stabiler als die
Edukte. Wo liegt dann die Gleichgewichtskonstante?
5. Wie unterscheiden sich thermodynamisch kontrollierte und kinetisch
kontrollierte Reaktionen?
Der Einfluss von Ladungen
Es gibt Ladungen sowohl in Ionen (Kationen, Anionen)als auch Partialladungen in
kovalenten Bindungen. Die Reaktion zwischen einem Kation und einem Anion ist durch
die Anziehung der Ladungen bestimmt und führt zu einer Gitterbildung (Salze). Das
entstehende Gitter ist abwechselnd aus Kation und Anion aufgebaut. Diese Reaktion
ist in der organischen Chemie allerdings selten zu finden. Stattdessen reagiert viel
häufiger ein geladener (partiell) Partner mit einem organischen Dipol. Bei dem in der
Organik am meisten vorkommenden Dipol handelt es sich um die Carbonylgruppe. Die
Bindung zwischen C und O ist durch die unterschiedliche Elektronegativität von
Sauerstoff und Kohlenstoff polarisiert. Generell ist ein Dipol ein Molekül, dessen
12
Valenzelektronen nicht gleichmäßig auf der Moleküloberfläche verteilt sind.
Stattdessen werden die Elektronen von den Atomen in Abhängigkeit von deren
Elektronegativitäten unterschiedlich stark angezogen (siehe Tabelle 3). Anionen
werden von der positiven Partialladung des Carbonylkohlenstoffs (geringe Dichte der
Valenzelektronen) elektrostatisch angezogen, sodass eine Reaktion stattfinden kann.
Eine negative elektrische Ladung ist für eine solche Reaktion nicht notwendig. Auch
Moleküle mit einem freien Elektronenpaar (z.B. NH3) oder solche mit einer negativen
Partialladung (z.B. der Carbonylsauerstoff) können reagieren. Während partial positiv
geladene Bereiche valenzelektronenarm sind, weisen die partial negativ geladenen
Reaktionspartner an den reaktiven Stellen eine hohe Elektronendichte auf.
Abbildung 13 Beispielhafte Angriffe von Nukleophilen an einer Carbonylgruppe.
Ladungen resultieren also aus der ungleichmäßigen Verteilung von Elektronen der
Moleküle, sodass bei einem Zusammenstoß zwischen Molekülen mit unterschiedlicher
Ladung die notwendige Aktivierungsenergie geringer ist.
Um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie groß die Elektronegativität ausgewählter
Elemente ist, sind in nachstehender Tabelle einige Elektronegativitäten aufgeführt.
Tabelle 3 Werte der Elektronegativität ausgewählter Elemente (Pauling-Skala).
H 2.2
Li 0.94
B 2.04
C 2.55
N 3.04
O 3.44
F 3.98
Mg 1.31
Al 1.61
Si 1.9
P 2.19
S 2.58
Cl 3.16
Br 2.96
I 2.66
∆EN (ENO – ENC) = 3.44 - 2.55 = 0.89
13
Der Einfluss von Orbitalen
Bei der Betrachtung von Ethen und Brom würde man unter Berücksichtigung des
vorhergegangenen Absatzes keine Reaktion erwarten. Beide Moleküle weisen keine
Differenzen in den Elektronegativitäten zwischen den Atomen auf und weisen somit
keinen Dipolcharakter auf. Trotzdem verschwindet die braune Farbe des Broms,
sobald Ethen hinzufügt wird, sodass eine Reaktion geschehen sein muss. Wenn diese
allerdings nicht auf elektrostatische Attraktionen zurückzuführen ist, worauf dann?
Orbitalwechselwirkungen:
Abbildung 14 Reaktion von Ethen und Brom zu 1,2-Dibromethan.
Um dies zu beantworten, muss ein weiterer Aspekt hinzugezogen werden: Der Einfluss
von Orbitalen. Von Brom ist bekannt, dass es ein leeres (elektronenarmes),
antibindendes σ*-Orbital besitzt, das als Elektronenakzeptor dient. Gleichzeitig besitzt
Ethen das volle (elektronenreiche) π-Orbital der Doppelbindung. Bei einem
Zusammenstoß kommt es schließlich zu einem Orbitalüberlapp des leeren Orbitals
(LUMO) des Broms mit dem vollen Orbital (HOMO) des Ethens, sodass Elektronen
von dem vollen in das leere Orbital übertragen werden und eine chemische Bindung
entsteht. Ethen greift Br2 an.
Abschließend kann also festgehalten werden, dass die Reaktivität in der organischen
Chemie immer unter den Aspekten der beteiligten Ladungen und Orbitalen betrachtet
werden muss. Diese Einflüsse schließen einander nicht aus. Viele Reaktionen
benötigen die Interaktion zwischen freien und besetzten Orbitalen und zusätzlich die
Anziehung durch die Ladung der Moleküle. Unabhängig davon welcher Aspekt
maßgeblich ist, handelt es sich bei all diesen Phänomenen um Elektronen, die von
einem elektronenreichen zu einem elektronenarmen Bereich fließen.
14
Orbitalenergie
Nu- E+
Nu-
E+
Nu-
E+
abnehmende Stabilität der neuen Bindung
Abbildung 15 Energiediagramme von Reaktionen mit Nukleophil und Elektrophil.
Es kann nur das gefüllte Orbital höchster Energie des Elektronendonors (HOMO,
Highest Occupied Molecular Orbital) mit dem ungefüllten Orbital niedrigster Energie
des Elektronenakzeptors (LUMO, Lowest Unoccupied Molecular Orbital) in
Wechselwirkung treten. Der energetische Abstand zwischen anderen Orbitalen ist zu
groß.
Moleküle stoßen sich aufgrund der äußeren Elektronenschale ab, ziehen sich aber an,
wenn unterschiedliche Partialladungen vorliegen. Hierbei müssen sich das HOMO und
das LUMO überlagern. Damit es zu einer solchen Interaktion kommen kann, müssen
die Energieniveaus des HOMOs des Nukleophils und des LUMOS des Elektrophils
zusammenpassen. Im optimalen Fall weisen beide Orbitale eine möglichst ähnliche
energetische Lage auf, dies führt zu einem großen Energiegewinn bei der
Bindungsbildung. Abbildung 15 beschreibt neben diesem Idealfall (links) auch noch
Situationen, die auf Grund von unterschiedlichen Energieniveaus der Grenzorbitale zu
geringeren Energiegewinnen führen (Mitte und rechts). Damit geht eine geringere
Stabilität der neuen Bindung einher.
Das Nukleophil-Elektrophil-Modell
Die Mehrzahl organischer Reaktionen ist polar. Daher rückt das Prinzip, in dem
Elektronen von einer Elektronenquelle eines Moleküls zu einem Elektronenabfluss
eines zweiten Moleküls fließen, in den Vordergrund.
15
Bei diesem Modell existiert eine Elektronenquelle, also ein Atom, das Elektronen
doniert und daher als Nukleophil bezeichnet wird. Das Atom des zweiten Edukts, das
die Elektronen aufnimmt (akzeptiert), ist das Elektrophil .
In der Vorlesung sowie in der Übung fällt auf, wie häufig dieses Modell verwendet wird.
Für das grundlegende Verständnis organischer Reaktionen ist es absolut essentiell
diese Begriffe verstanden und verinnerlicht zu haben!
Abbildung 16 Angriff eines Nukleophils an ein Elektrophil.
In Abbildung 16 ist die allgemeine Reaktion eines Nukleophils mit einem Elektrophil
gezeigt. Das Nukleophil greift hier mit seinem freien Elektronenpaar das leere Orbital
des Elektrophils an.
Einige Beispiele für Moleküle, die als Nukleophile bzw. als Elektrophile dienen können,
sind in der folgenden Abbildung aufgeführt.
Abbildung 17 Beispiele für Elektrophile und Nukleophile.
16
Die Verwendung von gebogenen Pfeilen
In den hier gezeigten Grafiken wurden ganz selbstverständlich gebogene Pfeile
verwendet, um die Richtung anzuzeigen, in die die Elektronen von ihrer
Elektronenquelle (Nukleophil) zum Elektronenakzeptor (Elektrophil) fließen.
Die gebogenen Pfeile werden in der Vorlesung zur Darstellung von
Reaktionsmechanismen verwendet und sollten daher unbedingt verinnerlicht werden.
Dabei gelten folgende Regeln:
• Die Pfeilspitze zeigt immer in die Richtung, in die die Elektronen fließen.
• Pro Bindung die neu ausgebildet wird, bzw. pro Bindung die aufgelöst wird, wird
ein Pfeil verwendet.
• Bei einem Transfer von zwei Elektronen benutzt man einen Pfeil mit ganzer
Pfeilspitze, wohingegen bei einem Übertrag von einem Elektron ein Pfeil mit
halber Pfeilspitze zu Einsatz kommt.
Diese Punkte werden in nachstehender Abbildung verdeutlicht.
H O H+
Elektronenquelle
H O
H
gebogene Pfeile:Bewegung der Elektronen
Nukleophil greift antibindendes Orbital an: 2 Pfeile
Me
S
Me
Br Br
Me
S
Me
Br Br-
Abbildung 18 Beispiele für den Gebrauch von gebogenen Pfeilen.
17
Beachte: Ladung bleibt erhalten!!!
Abbildung 19 Beispiele für den Gebrauch von gebogenen Pfeilen und dem Erhalt der Ladung.
Elektronen können auch aus π-Bindungen doniert werden:
Abbildung 20 Doppelbindungen als Nukleophile.
Auch der Zerfall von Molekülen lässt sich durch die gebogenen Pfeile beschreiben:
Abbildung 21 Gebrauch der gebogenen Pfeile beim Zerfall von Molekülen.
Bewegung von nur einem Elektron:
Abbildung 22 Gebrauch von gebogenen Pfeilen mit halber Pfeilspitze bei Wanderung von einem einzelnen Elektron.
18
Zur Kennzeichnung, dass sich nur ein Elektron entlang des Pfeils bewegt, wird am
Ende des Pfeils nur eine halbe Spitze verwendet.
Nukleophiler Angriff (weit) entfernt vom Atom mit Elektronenabfluss:
Abbildung 23 (a) Das Nukleophil kann am C-Atom der Doppelbindung angreifen anstatt am Carbonyl-kohlenstoffatom. Damit wird die Reaktivität durch Konjugation der Doppelbindung vom Carbonyl-kohlenstoffatom auf das ungesättigte C-Atom übertragen. Dieses Prinzip nennt man Vinylogieprinzip. (b) Nukleophiler Angriff auf konjugierte Systeme. Der Elektronenabfluss ist das Bromidanion, die Stelle höchster Elektrophilie ist am Ende des konjugierten Doppelbindungssystems.
Achtung : Bei der Konstruktion von Reaktionsmechanismen muss die Oktettregel
bei den Elementen der 2. Periode (B, C, N, O) eingehalten werden. So
darf niemals ein fünfbindiges Kohlenstoffatom entstehen!
Außerdem gilt, dass die Ladung bei chemischen Reaktionen immer
erhalten bleibt!
Intramolekulare Reaktionen:
Nukleophile und elektrophile Gruppen, welche miteinander reagieren, müssen sich
nicht zwingend an verschiedenen Molekülen befinden. Dies ist in folgender Abbildung
gezeigt.
19
Abbildung 24 Verwendung gebogener Pfeile bei intramolekularen Reaktionen.
Dem Schwefelatom der Thiolgruppe (Nukleophil ) stehen zwei elektrophile Stellen zur
Verfügung mit denen es reagieren könnte (grüner oder roter Pfeil). Dieses Beispiel
hebt sich durch zwei Unterschiede von den anderen, bis hierhin behandelten,
Beispielen ab. In diesem Fall befinden sich Nukleophil und Elektrophil in einem Molekül
und nicht in zwei separaten Reaktanden. Nukleophile und elektrophile Gruppen
können also innerhalb eines Moleküls miteinander reagieren. Des Weiteren existieren
hier zwei elektrophile Stellen, mit denen die Reaktion stattfinden kann. Es muss also
die elektrophilere von beiden identifiziert werden und beurteilt werden, welche
Reaktion zum stabileren Produkt führt. In Abbildung 24 können ein 5- oder ein 6-Rig
gebildet werden. 6-Ringe sind thermodynamisch stabiler als 5-Ringe. Daher handelt
es sich bei dem 6-Ring in diesem Fall um das bevorzugte Produkt.
HS
O
S
S
OH
AA
B
B
A B
OH
20
Aufgaben und Regeln
zu Kapiteln 1.4– 1.7
Fragen:
1. Was versteht man unter Elektronenquelle und Elektronenabfluss?
Zeichnen Sie Strukturen auf, die diesen Begriffen entsprechen.
2. Zeichnen Sie die gebogenen Pfeile und KONSEQUENT die
resultierenden Produkte. Nehmen Sie zur Übung Beispiele aus dem
Warren oder aus der Vorlesungsmitschrift.
Regeln:
1. Es sind immer Elektronen, die „wandern“!
2. Die Ladung bleibt immer erhalten.
3. Wo es eine Elektronenquelle gibt, muss auch ein Elektronenabfluss
vorhanden sein, damit eine Reaktion stattfindet.
4. Größter Prüfungsfehler: Kohlenstoffe fünfbindig zeichnen. Daher
immer überprüfen, dass der Kohlenstoff NICHT fünfbindig ist!!!
21
2 Nukleophile Substitution
Kapitel 15 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie 2013, 2. Auflage, Springer Verlag
Chapter 17 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organic Chemistry 2001, 1. Auflage, Oxford
Unter einer Substitution versteht man den Austausch einer Gruppe durch eine andere.
Substitutionsreaktionen werden in der Chemie häufig zur Modifikation von Molekülen
eingesetzt. Eine zentrale Funktionalität der organischen Chemie ist die
Carbonylgruppe, deren Reste sich relativ einfach durch Substitutionsreaktionen
austauschen lassen. Wie in Abbildung 25 gezeigt, lässt sich beispielsweise das
Säurechlorid in das entsprechende Amid umwandeln.
Abbildung 25 Substitution am Carbonyl-Kohlenstoffatom.
Bei dieser Reaktion wird das Chlor-Atom durch eine Amino-Gruppe ersetzt. Ammoniak
wird hierbei als Nukleophil bezeichnet, das Chlorid-Ion als Abgangsgruppe.
Substitutionen an Carbonylverbindungen finden hierbei immer am planar koordinierten
sp2-Kohlenstoffatom statt.
Abbildung 26 Mechanismus der nukleophilen Substitution an einer Carbonylgruppe.
Mechanistisch greift bei dieser Reaktion zuerst das Nukleophil den Carbonyl-
Kohlenstoff an. Als Intermediat entsteht hierbei eine tetraedrische sp³-hybridisierte
Zwischenstufe, aus der es zur Abspaltung der Abgangsgruppe kommt.
22
SN1-Reaktionen
Im Folgenden sollen Substitutionsreaktionen an tetraedrisch koordinierten
Kohlenstoffen betrachtet werden. Diese Reaktionen werden im Allgemeinen als
nukleophile Substitutionen bezeichnet, hierbei unterscheidet man zwischen SN1-
und SN2-Reaktionen. Die Unterscheide dieser verschiedenen Reaktionstypen werden
im Anschluss näher betrachtet.
Ph Cl
H H PhS
Ph SPh
H H
tetraedrisch koordiniertes C-Atom
-HCl
Abbildung 27 Substitution am tetraedrisch koordinierten sp³-Kohlenstoffatom.
Auf Grund der sp³-Hybridisierung des gesättigten Kohlenstoffs ist ein direkter Angriff
des Nukleophils, wie es in Abbildung 26 an der C=O-Bindung der Fall war, nicht
möglich. Dieser Angriff würde zu einem fünfbindigen Kohlenstoff führen.
Das Nukleophil kann erst addieren, wenn sich die Abgangsgruppe löst. Hierbei
eröffnen sich zwei neue Möglichkeiten. Entweder löst sich die Abgangsgruppe unter
Bildung eines Carbokations zuerst und das Nukleophil greift in einem zweiten Schritt
an oder beides findet gleichzeitig statt. Beim ersten Fall handelt es sich um einen SN1-
Mechanismus, der zweite Fall wird als SN2-Mechanismus bezeichnet. Das
Schlüsselintermediat der SN1-Reaktion ist das entstandene Carbokation, die Stabilität
dieser Spezies ist entscheidend für das Ablaufen der Reaktion. In Kapitel 2.2 wird
dieser Themenkomplex noch mal genauer betrachtet.
Ph Cl
H H
Abgangsgruppegeht zuerst ab
H Ph
HPhS
Cl
Carbokation als Zwischenstufe
Nukleophil greif tdanach an
PhS Ph
H H
Mechanismus der SN1-Reaktion
Mechanismus der SN2-Reaktion
PhS Ph
H H
Ph Cl
H H
PhS Nukleophil greif t an,gleichzeitig löst sich dieAbgangsgruppe
Abbildung 28 Mögliche Mechanismen der nukleophilen Substitution (oben: SN1-Mechanismus; unten:
SN2-Mechanismus).
23
2.1.1 Geschwindigkeitsgesetz der S N1-Reaktion
Bei Betrachtung der Reaktion von tert-Butylbromid mit OH- zeigt sich, dass diese
Reaktion erster Ordnung ist. Ihre Geschwindigkeit hängt nur von der Konzentration
des tert-Butylbromids [t-BuBr] ab.
Abbildung 29 Reaktion von tert-Butylbromid mit OH-.
Dementsprechend lässt sich die Reaktion mittels folgender
Geschwindigkeitsgleichung beschreiben:
Geschwindigkeit = k� ∙ ��BuBr�
Das bedeutet, dass die Reaktion in zwei Schritten erfolgt: Zuerst geht das Bromid-Ion
unter Bildung eines Carbokations ab. Dann nähert sich das Hydroxidion und greift
nukleophil an, so dass der Alkohol entsteht.
Abbildung 30 Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt einer SN1-Reaktion, sowie der nachfolgende
Angriff des Nukleophils.
Beim SN1-Mechanismus ist die Bildung des Carbokations der
geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Ein Carbokation ist eine instabile Spezies und
wird langsam aus einem stabilen, neutralen Molekül gebildet. Folgereaktionen des
Carbokations laufen wegen seiner hohen Reaktivität schnell ab. Die Geschwindigkeit
mit der t-BuBr verschwindet, ist identisch zum ersten, langsamen Reaktionsschritt. Das
genutzte Nukleophil hat hierbei keinen Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit des
Carbokations. Um dies zu verdeutlichen, wollen wir jeweils die Konzentration eines
Edukts variieren, während die Konzentration des zweiten Edukts konstant gehalten
wird.
24
Abbildung 31 Graphische Darstellung der Reaktionsgeschwindigkeit einer SN1-Reaktion.
Entsprechend der Geschwindigkeitsgleichung k1*[t-BuBr] ist die Steigung des linken
Diagramms die Geschwindigkeitskonstante erster Ordnung. Die Steigung im rechten
Diagramm ist gleich null. Die Reaktion wird durch eine Zugabe von NaOH nicht
beschleunigt, da das Nukleophil nicht am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt
beteiligt ist. Die SN1-Reaktion zeigt eine Kinetik erster Ordnung, dementsprechend ist
die Geschwindigkeit nur zu einer Konzentration proportional. Das bedeutet, dass die
Konzentration sowie die Reaktivität des Nukleophils unerheblich ist. Die Abkürzung
SN1 fasst die zentralen Eigenschaften dieser Reaktion zusammen: Substitution,
nukleophil, unimolekular.
Die SN1-Reaktion lässt sich mit einem Energieprofildiagramm beschreiben. Die
Bildung des Carbokations, als Zwischenstufe, verläuft langsam, folglich muss diese
mit dem energiereichsten Übergangszustand verbunden sein. Die
Gesamtgeschwindigkeit der Reaktion ist hierbei eng verknüpft mit der Energie des
Übergangszustandes, der wiederum mit der Stabilität des Carbokations korreliert.
Abbildung 32 Energieprofildiagramm der SN1-Reaktion.
25
Im Allgemeinen sind Eliminierungsreaktionen die Konkurrenzreaktionen der
Substitutionen. Bei E1-Eliminierungen deprotoniert das Nukleophil das Carbokation
unter Ausbildung einer neuen Doppelbindung. Dies geschieht bevorzugt, wenn das
Nukleophil eine hohe Basizität aufweist. Folglich werden für SN1-
Substitutionsreaktionen am besten schwächere, nichtbasische Nukleophile eingesetzt.
Abbildung 33 Vergleich zwischen Eliminierung und nukleophiler Substitution.
2.1.2 Stereochemie der S N1-Reaktion
Die Stereochemie der SN1-Reaktion wollen wir anhand eines sekundären Alkohols
betrachten.
Abbildung 34 Reaktion von (S)-sec-Butanol mit einem Nukleophil.
Ausgehend vom optisch aktiven sec-Butanol kann das sekundäre Butylkation
entstehen. Behandeln wir dieses mit Wasser, wird wieder der Alkohol zurück erhalten,
jedoch ohne optische Aktivität. Der Angriff von Wasser kann von beiden Seiten des
trigonal-planaren Carbokations erfolgen. Im Falle des Butylkations kann das
Nukleophil mit einer gleichen Wahrscheinlichkeit von beiden Seiten angreifen. Als
Produkt erhält man eine 50:50 Mischung von (S)- und (R)-Butanol, folglich handelt es
sich hierbei um ein racemisches Gemisch. Somit führt eine SN1-Reaktion zum einen
zum Erhalt der Konfiguration (Retention) und zum anderen wird die Konfiguration
invertiert (Inversion).
26
H
H2O
H2O
HO H
HO H
=
=
HO H
HO H
(S)-sec-Butanol
(R)-sec-Butanol
Abbildung 35 Angriff des Nukleophils (H2O) auf das Carbokation von Butanol.
Bei SN1-Reaktionen kommen hauptsächlich polare, protische Lösungsmittel zum
Einsatz. Dies lässt sich durch die Entstehung von ionischen Reaktionskomponenten
(Carbokationen, ionische Abgangsgruppen wie z.B. Halogenide) erklären. Diese
ionischen Spezies werden von polaren Lösungsmitteln solvatisiert und dadurch
stabilisiert.
2.1.3 Regeln für die S N1-Reaktion
• 1. Abgangsgruppe abspalten; 2. Angriff Nukleophil
• Stabilität des Carbokations ist entscheidend
• Reaktionsgeschwindigkeit ist nicht abhängig von der Konzentration oder
Reaktivität des Nukleophils
• Inversion und Retention der Konfiguration
• Einsatz polarer, protischer Lösungsmittel
Carbokationen
In Kapitel 2.1 wurde der Mechanismus der SN1-Reaktion besprochen. Im Folgenden
soll die Stabilität des Carbokations als Schlüsselintermediat dieser Reaktion näher
betrachtet werden. Dies ist entscheidend, um eine Einschätzung der Reaktivität der
Verbindung treffen zu können.
2.2.1 Struktur von Carbokationen
Das einfachste Carbokation ist das Methylkation, das exemplarisch zur Beschreibung
der Struktur genutzt werden soll. Das zentrale Kohlenstoffatom des Methylkations geht
27
mit drei Wasserstoffatomen eine Bindung ein, hierbei wechselwirken drei sp2-Orbitale
des Kohlenstoffs unter Ausbildung von σ-Bindungen mit den 1s-Orbitalen des
Wasserstoffs. Das verbleibende freie p-Orbital des Kohlenstoffs ist nicht an der
Ausbildung einer Bindung beteiligt. Carbokationen weisen stets eine trigonal-planare
Struktur auf, hierbei befinden sich die drei Wasserstoffatome in einer Ebene,
wohingegen das p-Orbital orthogonal dazu steht.
Das Methylkation ist ein äußerst instabiles Carbokation, das deshalb keine Rolle als
Intermediat bei SN1-Reaktionen spielt. Dahingegen weist das tert-Butylcarbokation auf
Grund seiner Alkylsubstituenten eine deutlich höhere Stabilität auf.
Abbildung 36 Struktur des tert-Butylkations.
2.2.2 Strategien zur Stabilisierung von Carbokation en
Um Carbokationen zu stabilisieren, stehen mehrere Strategien zur Verfügung. Ohne
zusätzliche Stabilisierung kann es nicht zur Ausbildung des Kations kommen. Der
Effekt, der im Falle des tert-Butylkations, also im Allgemeinen bei Alkylsubstituenten
zum Tragen kommt, ist die sogenannte Hyperkonjugation . Hierbei wird
Elektronendichte aus einem parallel orientierten, besetzten σ-Orbital in das freie p-
Orbital doniert. Dies kann nicht nur aus C-H- sondern auch aus C-C-Bindungen
erfolgen. Im Falle des Methylkations steht jedoch keine weitere σ-Bindung zur
Verfügung, so dass keine Stabilisierung erfolgen kann (vgl. Abbildung 37). Im
Allgemeinen lässt sich folgende Reihenfolge der Stabilität von alkylsubstituierten
Carbokationen aufstellen: tertiär > sekundär > primär.
28
Abbildung 37 A : Stabilisierung des tert-Butylkations durch Hyperkonjugation; B: Keine Stabilisierung
des Methylkations möglich, da keine Donierung von Elektronendichte aus der σ-Bindung möglich ist.
Konjugierte C=C- π-Systeme können auch eine Stabilisierung von Carbokationen
bewirken. Allyle eignen sich gut als Edukte für SN1-Reaktionen, da die
korrespondierenden Kationen eine relativ hohe Stabilität aufweisen. Dies lässt sich auf
die Mesomeriestabilisierung des Kations zurückführen. Diese Beobachtung lässt sich
mit Hilfe des Orbitalbildes untermauern. Das Allylkation weist ein bindendes Orbital,
das mit zwei Elektronen besetzt und über drei Atome delokalisiert ist, auf. Das LUMO
ist dabei nur an den Enden des Allyls lokalisiert. Der Angriff des Nukleophils erfolgt in
dieses Orbital. (Vergleich MO-Schema Abbildung 117).
HBrOH OH2
BrBr
Abbildung 38 Nukleophile Substitution (SN1) von Bromid an Cyclohexenol, das entsprechende
Allylkation als Intermediat ist delokalisiert.
Die nukleophile Substitution von Bromid an Cyclohexenol (siehe Abbildung 38) verläuft
unter Ausbildung eines allylischen Carbokations. Der Angriff eines Nukleophils an
symmetrische Intermediate führt zu einem definierten Produkt. Sofern die Reaktion
über ein asymmetrisches Kation verläuft, kann es zur Entstehung von
Produktgemischen kommen. Die Regioselektivität wird stark durch sterische
Hinderung beeinflusst. Die sterisch weniger anspruchsvolle Position wird bevorzugt
reagieren.
Das Prinzip der Delokalisierung bewirkt nicht nur die erhöhte Stabilität von Allyl-
sondern auch von Benzylkationen. Im letzteren Fall wird die Ladung über das
29
aromatische System delokalisiert, jedoch findet die Substitutionsreaktion an der
Alkylseitenkette statt, so dass das aromatische System erhalten bleibt.
Als letzte Strategie zur Stabilisierung von Carbokationen soll im Folgenden der
Einfluss von benachbarten freien Elektronenpaaren besprochen werden. Dieser
Fall tritt ein, wenn neben einer Abgangsgruppe im Molekül noch eine weitere
elektronegative Gruppe vorhanden ist. Als primäres Alkylchlorid könnte man vermuten,
dass (Chlormethyl)methylether (MOM-Cl) nach einem SN2-Mechanismus reagieren
würde, dies ist jedoch nicht der Fall. Auf Grund der Stabilisierung durch die
benachbarte Methoxygruppe verläuft eine nukleophile Substitution nach dem SN1-
Mechanismus. Wie in Abbildung 39 deutlich wird, lässt sich das Kation durch zwei
verschiedene Grenzstrukturen beschreiben, als Carbokation oder als Oxoniumion. Die
analoge Darstellung kann im Fall eines Aminsubstituenten gewählt werden, hierbei
erfolgt die Stabilisierung über ein Iminiumion.
Abbildung 39 Nukleophile Substitution nach dem SN1-Mechanismus an MOM-Cl.
2.2.3 Regeln zu Carbokationen
• Trigonal-planare Struktur des Carbokations
• sp2-Hybridisierung des Kohlenstoffs
• Stabilisierung durch:
o Hyperkonjugation (tertiär>sekundär>primär)
o Konjugation mit benachbarten C=C-π-Systemen (Allyl- und
Benzylsysteme)
o Stabilisierung durch benachbarte freie Elektronenpaare
30
SN2-Reaktionen
Im Gegensatz zu der in Kapitel 2.1 besprochenen SN1-Reaktion verläuft eine
nukleophile Substitution zweiter Ordnung (SN2) konzertiert ab, d.h. der Angriff des
Nukleophils und die Spaltung der Abgangsgruppe bzw. Bindungsbildung und –bruch,
verlaufen zeitgleich. Hierbei reagiert das Startmaterial über einen Übergangszustand
zum Substitutionsprodukt. Dabei hängt die Reaktionskinetik von der Konzentration
beider Edukte ab. Plausibel wird dies, wenn man den mechanistischen Verlauf dieser
Reaktion genauer betrachtet. Das SN2-Produkt entsteht über einen fünfbindigen
Übergangszustand, an dem das Nukleophil und die Abgangsgruppe gleichermaßen
beteiligt sind. Auf Grund des konzertierten Reaktionsablaufs und dem damit
verbundenen anspruchsvollen Übergangszustand können SN2-Reaktionen nur an
sterisch wenig beanspruchten Verbindungen (besonders an primären, aber auch
sekundären Systemen) stattfinden. Im Gegensatz zur SN1-Reaktion werden für SN2-
Reaktionen bevorzugt aprotische, weniger polare Lösungsmittel eingesetzt. Da diese
im geringeren Maße mit den zumeist anionischen Nukleophilen wechselwirken
können, wodurch deren Reaktivität erniedrigt werden kann.
C
R2
R3
R1
XNu C
R3R2
R1
Nu XC
R2 R3
R1
XNu +
‡
Abbildung 40 Der Mechanismus der SN2-Reaktion mit dem charakteristischen bipyramidalen
fünfbindigen Übergangszustand.
2.3.1 Geschwindigkeitsgesetz der S N2-Reaktion
Die Untersuchung der SN2-Reaktionskinetik ergab, dass die
Produktbildungsgeschwindigkeit von der Konzentration beider Edukte abhängt.
Demzufolge bezeichnet man die Reaktionen als bimolekulare Substitutionen. Die
Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von beiden Edukten wurde beispielsweise
mit folgendem Experiment für die Darstellung von Dimethylsulfid nachgewiesen. Bei
Methyliodid handelt es sich als primäres Reagenz um ein klassisches Edukt für eine
SN2-Reaktion. Bei der Untersuchung der Geschwindigkeitsgleichung dieser Reaktion
31
wurde jeweils die Konzentration eines Eduktes variiert, während die zweite
Konzentration konstant gehalten wurde. Beide Fälle ergeben eine lineare Beziehung,
so dass die Gesamtreaktionsgeschwindigkeit sich proportional zu beiden Edukten
verhält.
MeS + Me I MeS
Me + INa Na +
Abbildung 41 Betrachtung der Reaktionsgeschwindigkeit der Darstellung von Dimethylsulfid in
Abhängigkeit der Edukte.
Auch in diesem Fall fasst die Abkürzung SN2 die zentralen Eigenschaften dieser
Reaktion zusammen: Substitution, nukleophil, bimolekular. Die
Geschwindigkeitskonstante dieser Elementarreaktion hängt über die Arrhenius-
Beziehung mit ihrer Aktivierungsenergie ∆G‡ zusammen. Der höchste Punkt dieses
Energieprofildiagramms gehört zum Übergangszustand der SN2-Reaktion, folglich
stellt dieser den energiereichsten Punkt im Reaktionsverlauf dar. Da diese Reaktion
konzertiert verläuft, ist sowohl die neue Bindung zum Nukleophil zum Teil geknüpft,
als auch die alte Bindung zur Abgangsgruppe noch nicht komplett gebrochen.
32
Abbildung 42 Energieprofil und Geschwindigkeitsgesetz der SN2-Reaktion.
2.3.2 Stereochemie der S N2-Reaktion
HO C
HR1
RBr C
HR1
R
BrHO CH
R1
R
HO+ + Br
Abbildung 43 Stereochemischer Verlauf der SN2-Reaktion nach dem „Regenschirmmechanismus“.
Anderes als die SN1- zeichnet sich die SN2-Reaktion durch ihre hohe Stereoselektivität
aus. Der Grund dafür ist, dass die SN2-Reaktion ausschließlich mit einem
Rückseitenangriff des Nukleophils ablaufen kann. Dies wird aus Abbildung 43
ersichtlich: Sterisch bedingt nähert sich das Nukleophil (hier OH-) dem anzugreifenden
zentralen C-Atom von der gegenüberliegenden Seite der Abgangsgruppe (hier Br-).
Wenn man die Geometrie des fünfbindigen bipyramidalen Übergangszustands
betrachtet, stellt man fest, dass dieser einem gerade umklappenden Regenschirm
ähnelt. Dieser „Regenschirmmechanismus“ wird auch als Walden-Umkehr bezeichnet.
Zeitgleich zum Angriff des Nukleophils und Aufbau der neuen Bindung kommt es zum
Bindungsbruch der Abgangsgruppe. Hierbei befinden sich Nukleophil und
Abgangsgruppe in einem 180° Winkel zueinander. Währenddessen liegen die drei
33
unbeteiligten Substituenten sowie das zentrale C-Atom selbst vorübergehend in einer
Ebene. Im Falle eines Angriffs an einem stereogenen Zentrums, wie das Beispiel in
Abbildung 43 zeigt, führt dies zu einer Inversion der Konfiguration.
2.3.3 Regeln für die S N2-Reaktion
• Konzertierte Reaktion (gleichzeitige Bindungsbildung und –bruch)
• Reaktionsgeschwindigkeit ist abhängig von der Konzentration oder Reaktivität
beider Edukte
• Inversion der Konfiguration
• Bevorzugter Einsatz von aprotischen, weniger polaren Lösungsmitteln
SN1 vs SN2
Die nukleophile Substitution ist einer der meist untersuchten Reaktionen. Anhand der
Struktur und Eigenschaften der Startmaterialien, sowie der Reaktionsbedingungen
kann eine Vorhersage getroffen werden, ob Reaktionen entsprechend des SN1- oder
SN2-Mechanismus verlaufen können. Dies ist vor allem wichtig, wenn chirale
Verbindungen substituiert werden müssen. Da im Fall einer SN2-Substitution ein
einziges Produkt entsteht, wohingegen die SN1-Reaktion jedoch zu einer
Racemisierung führt kann. Im Folgenden wird besprochen, bei welchen Bedingungen
eine Reaktionsordnung bevorzugt wird.
2.4.1 Die Struktur der Startmaterialien im Vergleic h
Die Struktur des Kohlenstoffskeletts ist ein entscheidender Ansatzpunkt für die
Stabilität und damit verbunden die Bildung der Carbokationen. Allgemein gilt:
Verbindungen, die nach der Bildung des Carbokations genug stabilisiert sind, werden
in der Regel nach dem SN1-Mechanismus substituiert. Dies erklärt, warum im Fall
eines, durch Hyperkonjugation stabilisierten, tertiären Kohlenstoffatom eine SN1-
34
Reaktion bevorzugt ist. Dahingegen begünstigt ein primäres Kohlenstoffatom die
Substitution entsprechend eines SN2-Meschanismus, da ein ungehinderter Angriff des
Nukleophils an das zentrale Kohlenstoffatom möglich ist. Die nachfolgende vergleicht
exemplarisch die Substitution an Methyliodid und tert-Butylbromid.
Abbildung 44 Einfluss der Struktur auf den Mechanismus der nukleophilen Substitution.
2.4.2 Lösungsmitteleffekte
Da beim geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der SN1-Reaktionen Ionen gebildet
werden (ein positiv geladenes Carbokation und eine negativ geladene
Abgangsgruppe), werden diese Reaktionen meistens in polaren Lösungsmitteln
durchgeführt. Der Grund dafür ist ihre Fähigkeit, die gebildeten Ionen zu solvatisieren.
Dagegen sind unpolarere Lösungsmittel für SN2-Reaktionen besser geeignet. Ein SN2-
Mechanismus kann durch aprotische Lösungsmittel begünstigt werden, da diese keine
Wasserstoffbrückenbindungen mit dem Nukleophil eingehen. Dies kann zu einer
Erniedrigung der Reaktivität führen. Neben den bisher besprochenen Faktoren können
auch die Güte der Abgangsgruppe sowie die Reaktionstemperatur einen Einfluss auf
den Mechanismus haben. Die Reaktivitäten verschiedener Substrate von nukleophilen
Substitutionen werden zusammenfassend in der nachfolgenden Tabelle
gegenübergestellt.
35
Tabelle 4 Zusammenfassung der Reaktivität verschiedener Substrate für nukleophile Substitutionen.
Abgangsgruppen bei nukleophilen Substitutionen
Für SN1- und SN2-Reaktionen ist es entscheidend, eine Einschätzung über die Qualität
von Abgangsgruppen treffen zu können. Bei beiden Mechanismen stellt die
Abspaltung dieses Restes einen essentiellen Teilschritt der Reaktion dar, hierbei
werden typischerweise Halogenide oder sauerstoffhaltige Reste abgespalten. Für die
Quantifizierung der Qualität der Abgangsgruppen sollten zwei charakteristische
Faktoren betrachtet werden. Zum einen die Bindungsstärke der C-X-Bindung und zum
anderem der pKa-Wert der korrespondierenden Säure. Letzterer gibt indirekt Auskunft
über die Stabilität des entsprechenden Anions.
Tabelle 5 Einschätzung der Halogenid-Abgangsgruppen anhand der Bindungsstärke und des pKa-
Werts der korrespondierenden Säure.
36
Anhand Tabelle 5 wird deutlich, dass die C-I-Bindung die niedrigste Bindungsenergie
aufweist und die korrespondierende Säure eine starke Säure ist. Dies bedeutet, dass
zum einen die C-I-Bindung leicht zu brechen ist und zum anderen HI dissoziiert
vorliegen wird. Beide Punkte legen nahe, dass Iodid eine ausgezeichnete
Abgangsgruppe darstellt. Analog dazu ist Fluorid eine schlechte Abgangsgruppe. Als
Faustregel lässt sich hieraus ableiten, dass ein Rest eine gute Abgangsgruppe ist,
wenn er selbst eine schwache Base bzw. die korrespo ndierende Säure eine
starke Säure ist.
Neben den Halogeniden werden sauerstoffhaltige Abgangsgruppen häufig genutzt,
jedoch ist niemals OH- selbst als Abgangsgruppe anzutreffen (Ausnahme E1cb-
Reaktion). Entsprechend unserer Faustregel lässt sich dieses Verhalten auf die hohe
Basizität von OH- zurückführen. Durch Protonierung der OH-Gruppe lässt sich jedoch
relativ einfach eine gute Abgangsgruppe generieren. Aus der hierbei gebildeten
Oxonium-Spezies kann nun Wasser als Abgangsgruppe abgespalten werden. Bei
Wasser handelt es sich im Gegensatz zu OH- um eine gute Abgangsgruppe.
Abbildung 45 SN1-Reaktion an tert-Butanol. Die OH-Gruppe wird durch Protonierung in eine gute
Abgangsgruppe überführt.
Eine weitere Strategie um OH-Gruppen in gute Abgangsgruppen zu überführen, stellt
die Umwandlung in einen Sulfonsäureester dar. Die korrespondierenden Sulfonsäuren
sind hierbei jeweils starke Säuren. Sulfonsäureester werde aus Alkoholen mit
Sulfonylchloriden unter basischen Bedingungen dargestellt. Die am häufigsten
eingesetzten Vertreter sind hierbei Tosylate (p-Toluolsulfonsäureester) und Mesylate
(Methansulfonsäureester).
Abbildung 46 Die guten Abgangsgruppen Tosylat und Mesylat als Vertreter der Sulfonsäureester.
37
3 Carbonylchemie
Kapitel 6 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie 2013, 2. Auflage, Springer Verlag
Chapter 6 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organic Chemistry 2001, 1. Auflage, Oxford
In diesem Kapitel steht die Carbonylgruppe im Mittelpunkt der Vorlesung, wobei deren
Reaktivität in Abhängigkeit verschiedener Substituenten besprochen werden soll.
Weiterhin werden Reaktionen, in denen die Carbonylgruppe als Elektrophil oder als
Nukleophil reagiert, behandelt. Es kommt hierbei zur Untersuchung der Reaktionen
von Carbonylfunktionen mit verschiedenen Nukleophilen wie den H-, O-, S- und N-
Nukleophilen. Neben diesen organischen Verbindungen sollen auch Reaktionen mit
metallorganischen Verbindungen (Grignard- oder Organolithiumverbindungen)
behandelt werden. Fundiertes Wissen über die Reaktivität der Carbonylgruppe ist von
großer Wichtigkeit und steht daher in diesem Vorlesungsteil im Mittelpunkt.
Abbildung 47 . Beispiele für Carbonylfunktionen mit verschiedenen funktionellen Gruppen sowie Aceton als bekannter Repräsentant (von links nach rechts, oben: Aldehyd, Keton, Carbonsäure, Carboxylat, Carbonsäureester, unten: Carbonsäureamid, Carbonsäurechlorid, Carbonsäureanhydrid, Lacton, Lactam).
Die Carbonylgruppe ist durch ihre starke Polarisierung ein gutes Beispiel für
Reaktionen mit Elektrophilen und Nukleophilen. Während die Nukleophilie des
Carbonylsauerstoffs durch seine hohe Elektronegativität gering ist, prägt die starke
Elektrophilie des Carbonylkohlenstoffatoms die Reaktivität dieser funktionellen
Gruppe. Dies lässt sich anhand eines Energiediagramms von LUMO und HOMO einer
Carbonylverbindung, wie sie in Abbildung 48 dargestellt ist, verdeutlichen.
38
Abbildung 48 Energiediagramm einer Carbonylgruppe mit entsprechendem HOMO und LUMO.
Im besetzten π-Orbital, dem HOMO, ist die Elektronendichte am Sauerstoff gegenüber
dem Kohlenstoff stark vergrößert. Daher erfolgen nukleophile Angriffe der
Carbonylgruppe immer über den Sauerstoff.
Dagegen ist der Orbitallappen im unbesetzten π*-Orbital, dem LUMO, am Kohlenstoff
größer, sodass Nukleophile sich hier anlagern. Diese beiden Fälle sind als Reaktion in
Abbildung 49 dargestellt.
Abbildung 49 Nukleophile und elektrophile Reaktionen von Carbonylgruppen.
Es ist illustriert, wie die Carbonylgruppe als Elektrophil (obere Reaktion) oder als
Nukleophil und dann in einem weiteren Schritt abermals als Elektrophil (untere
Reaktion) reagieren kann.
Der Angriff eines Nukleophils an die Carbonylfunktion kann hierbei entweder von der
re-Seite oder von der si-Seite erfolgen (siehe Abbildung 50). Je nachdem, ob ein
Angriff von der si- oder der re-Seite erfolgt, entstehen unterschiedliche Stereoisomere.
39
Diese Nomenklatur wurde bereits im ersten Teil der Vorlesung eingeführt und soll hier
daher nicht näher erläutert werden.
Abbildung 50 Angriff eines Nukleophils an eine Carbonylverbindungen (R ≠ H).
Nukleophile Angriffe an die Carbonylgruppe
Kapitel 6 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie 2013, 2. Auflage, Springer Verlag
Chapter 6 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organic Chemistry 2001, 1. Auflage, Oxford
Bei der Carbonylgruppe handelt es sich um eines der wichtigsten Elektrophile in der
organischen Chemie. Es sind Angriffe von verschiedensten Nukleophilen, wie C-, N-,
O- oder S-Nukleophilen möglich. Im Folgenden sollen unterschiedliche Nukleophile
vorgestellt werden, die mit der Carbonylfunktion reagieren. Außerdem soll in diesem
Kapitel auch die retrosynthetische Zerlegung der Produkte stattfinden. Es ist daher
essentiell, dass die Verwendung der gekrümmten Pfeile sowie die Begriffe Nukleophil
und Elektrophil verstanden und sicher beherrscht werden.
3.1.1 O-Nukleophile
Sauerstoff ist stark elektronegativ und besitzt zwei freie Elektronenpaare, wodurch es
als Nukleophil reagieren kann. In diesem Kapitel sollen daher sauerstoffbasierte
Nukleophile behandelt werden.
40
3.1.1.1 O in H2O als Nukleophil
Abbildung 51 Nukleophiler Angriff eines Wassermoleküls an Formaldehyd zum Monohydrat.
Resultat: Addition von H 2O an eine Carbonylverbindung führt zum Hydrat
O
R R
+ H2OOH
R R
HOAllgemein:
KO
R R
OH
R R
HO
K =[H2O]
Abbildung 52 Gleichgewichtsreaktion einer Addition von Wasser an eine Carbonylverbindung.
Aus Abbildung 52 geht hervor, dass es sich bei der Addition von Wasser an eine
Carbonylverbindung um eine Gleichgewichtsreaktion handelt, für die sich eine
Gleichgewichtskonstante formulieren lässt. Diese hängt von den Substituenten an der
Carbonylfunktion ab, dass in nachstehender Tabelle anhand einiger Beispiele gezeigt
werden soll.
41
Tabelle 6 Verhältnis einiger Carbonylverbindungen zu ihren Hydraten. Die Gleichgewichtskonstante K gibt an, wie sehr das Gleichgewicht auf der Seite des Hydrats liegt.
Name Struktur der
Carbonylverbindung K
Aceton
0.001
Acetaldehyd
1.06
Chloral
2000 Betäubungsmittel
Chloralhydrat ist als Kristall isolierbar.
Formaldehyd
2280
wasserfreies Formaldehyd? → polymeres Paraformaldehyd
HO O OHn
∆CH2O
Hexafluor-aceton
O
F3C CF3
1200000
Cyclopropanon
>> 1
Formaldehyd liegt vorwiegend als Hydrat vor, da hier keine sterische Hinderung
vorhanden ist, wenn die Bindungswinkel von 120° zu 109° verkleinert werden.
Bei Chloral erklärt sich der hohe Wert für die Gleichgewichtskonstante K durch den
Elektronenzug (-I-Effekt) der CCl3-Gruppe, wodurch die Elektrophilie am
Carbonylkohlenstoffatom verstärkt ist. Beim Hexafluoraceton ist dieser Effekt noch
größer.
Kleine zyklische Ketone, z.B. Cyclopropanon, bevorzugen die hydratisierte Form, da
sich hierbei die Ringspannung vermindert. Bei Cyclopropanon sind die innerzyklischen
Bindungswinkel auf 60° begrenzt, während das sp2-hybridisierte
Carbonylkohlenstoffatom einen Winkel von 120° anstrebt. In der hydratisierten Form
liegt der bevorzugte Winkel bei 109°, wodurch eine Entspannung des Rings geschieht.
42
3.1.1.2 O in Alkohole (R-OH) als Nukleophile
1.Schritt:
O
R H
O
R H
OH
O
R H
OEt
H
H
O Et
O
R H
OEt
H
H
O Et
EtOH OH
R H
OEt Hemiacetal
Halbacetal
Abbildung 53 Mechanismus der Bildung eines Halbacetals.
Bei der Reaktion von Alkoholen mit Aldehyden entstehen Halbacetale.
Die Protonierung bzw. Deprotonierung im Mechanismus (Abbildung 53) kann sowohl
intra- als auch intermolekular beschrieben werden.
OH
R1 R3
OR2
Abbildung 54 Struktur eines Halbketals, welches bei der Addition eines Alkohols an ein Keton gebildet wird.
43
Bei der Reaktion von Ketonen mit Alkoholen entstehen Halbketale.
2.Schritt: (nur im Sauren!!!)
Abbildung 55 Weiterreaktion von Halbacetalen in saurem Milieu zum Vollacetal.
Halbacetale sind säurelabil, weshalb sie bei sauren Bedingungen zum Vollacetal
reagieren. Dies gilt analog für Halbketale:
R R´
OR´´OR´´
Abbildung 56 Struktur eines Ketals, welches in saurem Milieu in der Folgereaktion der Halbketalbildung entsteht.
Resultat: Addition eines Äquivalents Alkohol zum Ha lbacetal (Halbketal) und
im sauren Addition eines weiteren Äquivalentes zum Acetal (Ketal)
44
Aldehyd AcetalR-OH
H+
Keton KetalR-OH
H+
Abbildung 57 Übersicht der Reaktionen von Carbonylverbindungen mit Alkoholen.
Zur Bildung von Halbacetalen oder Ketalen sollen im Folgenden Beispiele aufgeführt
werden.
Beispiel 1: Glucose
Abbildung 58 Isomere der D-Glucose. Die zyklischen Isomere besitzen eine Halbacetal-Gruppe.
Beispiel 2: Synthese eines Ketals
Abbildung 59 Synthese eines Ketals mit p-Toluolsulfonsäure als Katalysator.
45
Beispiel 3: Acetale als Schutzgruppen
Schutzgruppen sind vor allem in langen Synthesen, in denen mehrere unterschiedliche
Reaktionen aufeinander folgen, wichtig. Beispielhaft ist in der folgenden Abbildung die
„Anbringung“ einer Acetalschutzgruppe an ein Keton gezeigt.
O
Cyclohexanon
HOOH
+
Ethylenglykol
TsOH
O O
+ H2O
Abbildung 60 Acetalbildung ist entropisch begünstigt.
Das hieraus entstehende Acetal ist basenstabil, wodurch die Carbonylgruppe
geschützt wird. Der Mechanismus dieser Reaktion sieht dabei wie folgt aus:
O
OHOH+
HO
-O
+
OHOH O
OH
OH2+
OOH
H+
-H2O
H O+
O O O
-H+
H+
Abbildung 61 Mechanismus zur Bildung eines Acetals aus Cyclohexanon und Ethylenglykol.
Weiterhin können auch Tetrahydropyranylether als Schutzgruppen für Alkohole
dienen. Dies ist in Abbildung 62 gezeigt.
46
Abbildung 62 Bildung von Tetrahydropyranylethern als Schutzgruppe von Alkoholen.
Ein Anwendungsbeispiel für die selektive Hydrierung mittels geschützter Aldehyde ist
in nachstehender Abbildung gegeben.
CHO
COOCH3
C
COOCH3
O O
H
* C
CH2OH
O O
H
H+/H2O
CHO
CH2OH
a.
HOC2H4OH, H+
b.
LiAlH4
NaBH4
CH2OH
COOCH3
a.
b.
Abbildung 63 Reaktionswege zur selektiven Reduzierung einer Verbindung mit zwei funktionellen Gruppen. a.) Mit Natriumborhydrid ohne Einführung einer Schutzgruppe b.) Nach der Einführung einer acetalischen Schutzgruppe Behandlung mit Lithiumaluminiumhydrid und anschließender Entschützung.
In obiger Abbildung werden zwei Synthesewege zu unterschiedlich selektiv
reduzierten Produkten gezeigt. Bei Weg a.) wird NaBH4 eingesetzt. Dieses Reagenz
reduziert die Aldehydgruppe, wohingegen die Estergruppe erhalten bleibt.
Wenn jedoch die Estergruppe reduziert und die Aldehydgruppe erhalten werden soll,
muss eine alternative Strategie gewählt werden. Zunächst wird dafür LiAlH4 benötigt,
da Ester durch NaBH4 nicht reduziert werden können. Ohne weiteres ist eine selektive
Reduzierung mit LiAlH4 jedoch nicht möglich, da sowohl die Aldehyd- als auch die
Estergruppe zum primären Alkohol reduziert werden würden. Daher wird in Weg b.)
47
die Aldehydgruppe acetalisch geschützt. Hierbei reagiert die Aldehydgruppe mit einem
Diol zu einem Acetal, welches nicht durch LiAlH4 reduziert werden kann. Nach der
durchgeführten Reduktion kann diese Schutzgruppe durch wässrige Säure wieder in
die Aldehydgruppe umgewandelt werden.
Eine solche acetalische Schutzgruppe wird also verwendet um reaktive Gruppen zu
schützen, sodass selektiv weniger reaktive Gruppen chemisch modifiziert werden
können, während die reaktive Gruppe danach wieder hergestellt wird.
3.1.2 Aufgaben
Aufgaben:
1. Erklären Sie die Reaktivität von Carbonylgruppen enthaltenden
funktionellen Gruppen und deren relative Elektrophilie.
2. Erklären Sie die Lage des Gleichgewichts der Addition von H2O an
eine Carbonylverbindung für Aceton, Acetaldehyd, Formaldehyd,
Chloral, Hexafluoraceton und Cyclopropanon.
3. Wie kommen Sie von einem Halbacetal zu einem Acetal? Benennen
Sie wichtige Halbacetale.
H-Nukleophile
Auch Wasserstoffatome können nukleophilen Charakter aufweisen. In nachstehender
Abbildung ist jedoch gezeigt, dass freie H--Ionen nahezu immer als Base reagieren.
O
H
H- ist nicht nukleophil, sondern reagiert immer als Base:
H H X H2 + X+
Abbildung 64 Eigenschaften von freiem H-, X bezeichnet ein beliebiges Atom.
48
Aufgrund der Orbitalüberlappung und der hohen Ladungsdichte ist die Reaktion eines
freien H--Ions als Nukleophil eigentlicht unbekannt. Das 1s Orbital des freien
Hydridions besitzt die ideale Größe, um mit dem σ*-Orbital einer H-X-Bindung
wechselzuwirken. Die Überlappung mit dem diffuseren 2π*-LUMO der Carbonylgruppe
ist durch den Größenunterschied nur partiell gegeben. Entsprechend kann kein
Elektronenfluss stattfinden.
Zur Hydrierung von Carbonylverbindungen werden aufgrund dessen verschiedene
Reduktionsmittel benötigt, wobei deren benötigte Stärke von der Reaktivität der
Carbonylfunktionen abhängt. Aus diesem Grund sollen zunächst die Reaktivitäten
einiger Carbonylverbindungen aufgezeigt werden, bevor zwei wichtige
Reduktionsmittel vorgestellt werden.
3.2.1 Reaktivitäten unterschiedlicher Carbonylderiv ate
Kapitel 10 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie 2013, 2. Auflage, Springer Verlag
Chapter 10 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organic Chemistry 2001, 1. Auflage, Oxford
In folgender Tabelle sind die Reaktivitäten unterschiedlicher Carbonylderivate
zusammengefasst:
Abbildung 65 Reihenfolge der Reaktivitäten von Carbonylfunktionalitäten enthaltenden organischen Verbindungen.
49
Mit der Reaktivität nimmt auch die Elektrophilie des Carbonylkohlenstoffs ab. Mit
NaBH4 lassen sich noch Ketone reduzieren, nicht aber Ester und die unreaktiveren
Verbindungen. LiAlH4 ist so reaktiv, dass alle Verbindungen zum Alkohol reduziert
werden können.
Da es von enormer Wichtigkeit ist die relativen Reaktivitäten dieser funktionellen
Gruppen zu kennen und zu verstehen, wird diese Abstufung im Folgenden erklärt.
Da die Reaktivität von der Elektrophilie des Carbonylkohlenstoffatoms und somit von
der Elektronendichte an diesem abhängt, müssen sowohl die Induktiven als auch die
Mesomerie-Effekte der Substituenten für diese Erklärung herangezogen werden.
Hierbei erhöhen –M- und –I-Effekte die Elektrophilie, während +M- und +I-Effekte sie
senken.
Da ein Chloratom einen sehr starken –I-Effekt aufweist, ist das Säurechlorid das
reaktivste der aufgeführten Elektrophile. Der +M-Effekt ist aufgrund der Größe des 3p
Orbitals, in dem sich das freie Elektronenpaar befindet, sehr schwach da dieses Orbital
schlecht mit dem 2p Orbital des Kohlenstoffatoms überlappt. Das nächststärkere
Elektrophil ist das Säureanhydrid. Auch Sauerstoff weist einen starken –I-Effekt auf,
besitzt jedoch auch einen ausgeprägten +M-Effekt. Dieser +M-Effekt verteilt sich
jedoch auf zwei Carbonylfunktionen, weshalb es sich bei einem Säureanhydrid immer
noch um ein starkes Elektrophil handelt.
Die Elektrophilie eines Aldehydes ist größer, als die eines Ketons, da ein Alkylrest
einen +I-Effekt aufweist und demnach die Elektronendichte am
Carbonylkohlenstoffatom vergrößert.
Die letzten vier Verbindungen sind alle aufgrund ihres +M-Effektes unreaktiver. So
liegen die Reaktivitäten von Carbonsäure und Ester aufgrund ihres +M-Effektes etwa
auf gleicher Höhe. Hier entscheiden oft die Reste über die Reaktivität der Verbindung.
Das Säureamid seinerseits weist einen starken +M-Effekt auf und der –I-Effekt ist im
Vergleich zum jenem des Sauerstoffs der freien Carbonsäure oder des Esters
wesentlich geringer.
Beim Carboxylat-Anion ist die negative Ladung, wie durch die gestrichelte Linie in
Abbildung 65 gezeigt, über die drei Atome O-C-O delokalisiert. Aus diesem Grund ist
dies die unreaktivste der hier aufgezeigten Verbindungen.
Die Reaktivität der verschiedenen Carbonylfunktionalitäten spiegelt sich auch in den
IR-Banden der C=O Streckschwingung wieder. Um dies zu verstehen, ist es zunächst
notwendig sich mit den Grundlagen der IR Spektroskopie auseinanderzusetzen. Hier
50
werden Molekülschwingungen durch infrarote Strahlung (Wellenlänge 800 nm –
1 mm) angeregt. Diese Schwingungen geben Auskünfte über die Bindungsstärke. So
bewegen sich die C-O-Streckschwingungen bei einer Frequenz von etwa 1100 cm-1,
wohingegen sich die von C=O zwischen 1850 und 1650 cm-1 bewegt. Daraus lässt
sich schließen, dass die Frequenz der Schwingung umso höher wird je stabiler und
kürzer die Bindung ist.
Betrachtet man die Stabilitäten der C=O-Bindung der verschiedenen
Carbonsäurederivate, dann lassen sich folgende Fälle unterscheiden:
a) +M-Effekt:
Bei der Konjugation wird Elektronendichte in das π*-Orbital der C=O-Bindung
geschoben. Da es sich hierbei um das antibindende Orbital handelt wird dadurch die
C=O-Bindung verlängert und geschwächt. Hierdurch verringert sich der Wert der C=O-
Streckschwingung.
�Je ausgeprägter der +M-Effekt desto schwächer die C =O-Bindung und desto
niedriger die C=O-Schwingungsfrequenz!
b) –I-Effekt:
Durch elektronenziehende Substituenten (z. B. Halogenide) wird die Elektronendichte
am Carbonyl-Kohlenstoffatom erniedrigt, wodurch die C=O-Bindung, um dies
auszugleichen, verkürzt wird (siehe Abbildung 66). Sie liegt von der Bindungsstärke
dadurch zwischen Doppel- und Dreifachbindung.
�Je ausgeprägter der –I-Effekt desto stärker die C=O -Bindung und desto höher
die Schwingungsfrequenz!
Diese zwei Fälle sollen in folgender Abbildung nochmals verdeutlicht werden.
51
Abbildung 66 Vergleich der Effekte durch Mesomerie (oben) und Induktion (unten) auf die Stabilität der C=O-Bindung und deren Frequenzen der IR Banden. Die roten Pfeile in der unteren Abbildung symbolisieren den Elektronenzug.
Mit dem Wissen, dass der +M-Effekt die Reaktivität der Carbonylfunktion schwächt,
dadurch die Schwingungsfrequenz erniedrigt wird und dass der –I-Effekt die Bindung
stärkt, wodurch die Schwingungsfrequenz erhöht wird, lassen sich die
Carbonsäurederivate anhand ihrer C=O-Streckschwingungen nach der Reaktivität
sortieren.
Aus Tabelle 7 geht hervor, dass die Reaktivität der Carbonylfunktion mit steigender
C=O-Streckschwingung wie erwartet zunimmt. Es bleibt anzumerken, dass die
angegebenen Werte lediglich ungefähre Schwingungsfrequenzen für die jeweilige
Gruppe darstellen. Die exakten Frequenzen sind von den Resten R und R‘ abhängig.
52
Tabelle 7 C=O-Valenzschwingungen der Carbonsäurederivate, welche von oben nach unten nach sinkender Reaktivität geordnet sind.
Carbonsäurederivat
C=O-
Streckschwingun
g/ cm-1
Carbonsäurederivat
C=O-
Streckschwingung/
cm-1
~1850
~1745
~1790 und 1810
~1710
~1730
~1650
~1715
~1530
Aus obiger Tabelle geht weiterhin hervor, dass zwei Signale für die Schwingung der
Säureanhydride auftreten. Dem liegt zugrunde, dass die zwei Carbonylfunktionen
symmetrisch und antisymmetrisch schwingen können. Hierauf soll in diesem Rahmen
nicht weiter eingegangen werden. Der hohe Wert für die C=O-Schwingung des Esters
lässt sich dadurch erklären, dass hier der –I-Effekt im Gegensatz zum +M-Effekt leicht
dominiert.
Zu den Reaktivitäten der Carbonsäurederivate sollen im Folgenden Beispiele
aufgeführt werden, wobei mit dem Vergleich der Reaktivitäten von Benzaldehyd und
Acetophenon gestartet wird.
53
H
O
CH3
O
Benzaldehyd Acetophenon
>>
Abbildung 67 Vergleich der Reaktivität von einem Aldehyden und einem Keton.
Benzaldehyd reagiert 400-fach schneller als Acetophenon. Die Substitution eines
Wasserstoffatoms durch eine Methyl-Gruppe hat demzufolge eine starke Auswirkung
auf die Elektrophilie dieser Carbonylderivate.
Reaktivität von Aldehyden:
Abbildung 68 Abstufung der Reaktivität von Aldehydverbindungen.
In Abbildung 68 sind die Reaktivitäten von Aldehydverbindungen in Abhängigkeit
verschiedener Reste gezeigt. Das unreaktive Verhalten von Pivalinaldehyd
(Trimethylacetaldehyd) erklärt sich vorwiegend durch die sterische Abschirmung des
elektrophilen Carbonylkohlenstoffs durch die tert-Butyl-Gruppe.
Reaktivität von Ketonen:
Abbildung 69 Abstufung der Reaktivität von Ketonen.
Die Abnahme der Reaktivität in Abbildung 69 lässt sich durch die Einbindung der
Carbonylgruppe in die Konjugation mit den Aromaten erklären. Außerdem sind die
Phenylgruppen sterisch anspruchsvoll, wodurch die Reaktivität zusätzlich
herabgesetzt ist.
54
3.2.1.1 Reduktionen mit NaBH 4
Es gibt jedoch Alternativen, sogenannte synthetische Äquivalente, zu dem freien
H--Nukleophil, mit denen es möglich ist Carbonylderivate zu reduzieren. Ein Beispiel
hierfür stellt Natriumborhydrid NaBH4 dar:
Abbildung 70 Reaktion von Natriumborhydrid als synthetisches Äquivalent eines H--Nukleophils mit einem Aldehyden.
Bei der Bindung zwischen Bor und Wasserstoff handelt es sich um eine σ-Bindung.
Da diese stark polarisiert ist, kann das Hydridion mit den Bindungselektronen
übertragen werden. Die Überlappung des σ-Orbitals mit dem 2π*-LUMO der
Carbonylgruppe ist ausreichend. Bor fungiert also als Hydridionen-Donor.
Zur Isolierung des Reduktionsprodukts wird der Borsäureester z.B. mittels Methanol
im Überschuss hydrolysiert.
Abbildung 71 Hydrolyse des Borsäureester-Zwischenprodukts mittels eines Alkohols im Überschuss zum reduzierten Produkt.
55
Resultat: Aldehyde werden zu primären Alkoholen reduziert
Ketone werden zu sekundären Alkoholen reduziert
R H
H OH
R
O
H
Reduktion
+I -I
Abbildung 72 Reduktion eines Aldehyds zum primären Alkohol.
Beispiele für die Reduktion mit NaBH4:
Abbildung 73 Reduktionen von Carbonylverbindungen zu Alkoholen mit NaBH4.
3.2.1.2 Lithiumaluminiumhydrid (LiAlH 4) als Reduktionsmittel
Neben Natriumborhydrid existiert auch Lithiumaluminiumhydrid (Abbildung 74) als
Quelle für Hydridionen. Lithiumaluminiumhydrid ist ein stärkeres Reduktionsmittel als
Natriumborhydrid.
Abbildung 74 Lewisformel von LiAlH4.
NaBH4 ist in der Lage Hydridionen auf Aldehyde und Ketone zu übertragen. Zur
Hydrierung von Estern oder Carbonsäuren ist NaBH4 allerdings nicht reaktiv genug
und es wird das stärkere Reduktionsmittel LiAlH4 benötigt (siehe Abbildung 65).
56
Die Aluminium-Wasserstoff-Bindung weist eine größere Polarisierung als die Bor-
Wasserstoff-Bindung auf. Aufgrund der höheren Elektronendichte ist das
Wasserstoffatom in LiAlH4 ein stärkeres Nukleophil als in NaBH4. So können durch
LiAlH4 auch Carbonsäuren und Ester reduziert werden.
Abstufung der Reaktivität des Hydridreagenzes:
Abbildung 75 Selektive Reduktion eines Aldehyden in Anwesenheit einer Estergruppe.
Wegen der Abstufung der Reaktivität ist es möglich, bei Wahl eines geeigneten
Hydridreagenzes selektiv eine funktionelle Gruppe zu reduzieren, während weitere
nicht angegriffen werden.
3.2.2 Aufgaben
zu Kapitel 2.2
Fragen:
1.
Zeichnen Sie den Mechanismus nach dem Hydrid-Ionen als
Nukleophile reagieren können.
2. Wie wird ein freies H- reagieren? Und warum?
57
Das Cyanidion als C-Nukleophil
Das Cyanidion (CN-) ist ein bekanntes Beispiel für ein C-Nukleophil.
R H
O NaCNH2SO4
H2O
OH
R HNC
OH
NC HR
+
Cyanhydrin
O
R HNC
H+
N C
OH
R HNC
rac
R H
O
Abbildung 76 Mechanismus der Synthese von Cyanhydrinen.
In dieser Reaktion greift also das Kohlenstoffatom des Cyanidions mit seinem freien
Elektronenpaar an das Carbonylkohlenstoffatom an. Damit diese Reaktion stattfinden
kann wird weiterhin Schwefelsäure benötigt. Dies wird aus dem
Reaktionsmechanismus ersichtlich (Abbildung 76). Nach dem nukleophilen Angriff des
Cyanidions fließen die Elektronen in das leere Orbital des Sauerstoffatoms
(Elektronenabfluss). Daraus resultiert eine negative Ladung am Sauerstoffatom. Durch
die Anwesenheit von Säure kann das Sauerstoffatom protoniert werden, wodurch ein
stabiles Produkt, das Cyanhydrin, entstehen kann. Die Schwefelsäure verhindert so
die Rückreaktion zum Aldehyd.
Allgemein lassen sich solche Reaktionen wie folgt zusammenfassen:
Die Addition an eine Carbonylverbindungen beinhaltet:
1.) nukleophiler Angriff eines gewählten Nukleophils
2.) Protonierung des resultierenden Anions durch beispielsweise Säure
Resultat: Knüpfung neuer C-C Bindung
58
Metallorganische Verbindungen als C-Nukleophile
Kapitel 9 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie 2013, 2. Auflage, Springer Verlag
Chapter 9 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organic Chemistry 2001, 1. Auflage, Oxford
Neben den im letzten Kapitel behandelten „klassischen Nukleophilen“ können auch
metallorganische Verbindungen nukleophil reagieren. Die Metall-Kohlenstoff-Bindung
ist sehr stark polarisiert, wodurch sie ionischen Charakter erhält (vgl. LiAlH4). Beispiele
für metallorganische Verbindungen sind Organolithium- oder Grignard-Verbindungen.
Letztere Verbindungsklasse wird auch im organischen Praktikum häufig als
C-Nukleophil eingesetzt.
Allgemein haben metallorganische Verbindungen eine große Bedeutung bei der
Bildung von C-C-Bindungen.
Zunächst soll die polare C-M-Bindung (M = Metall) organometallischer Verbindungen
im Vergleich zur C=O-Bindung beleuchtet werden.
O
CH H
EN = 3.5
EN = 2.5
Li
CH H
H
EN = 1.0
EN = 2.5
R Li
R MgX
R
R
+ Li
+ MgX
Abbildung 77 Vergleich der Elektronegativitäten von Organolithium- und Carbonylverbindungen und Aufzeigen der Polarisierung der C–M-Bindung.
In diesem Schaubild (Abbildung 77) werden die Polarisierungen der C=O-
Doppelbindung und der Li-C-Bindung verdeutlicht. Während Lithium eine EN
(Elektronegativität) von 1 aufweist und Sauerstoff eine EN von 3.5, besitzt Kohlenstoff
eine EN von 2.5. Die Bindungselektronen liegen also nicht gleichmäßig zwischen den
Bindungspartnern verteilt, sondern stark zum Kohlenstoffatom verschoben, vor. Die
Metall-C-Bindung hat demnach ionischen Charakter, weshalb das Kohlenstoffatom
eine negative Partialladung trägt. Der Kohlenstoff der Carbonylgruppe (hier
Formaldehyd) trägt hingegen eine positive Partialladung.
59
3.4.1 Die Grignard-Reaktion
Abbildung 78 Addition der Grignard-Verbindung des Brombenzols an Butan-2-on.
In Abbildung 78 ist die Reaktion einer Phenylgrignardverbindung an But-2-on zum
tertiären Alkohol gezeigt. Nachfolgende Abbildung 79 beschreibt die Präparation einer
Grignard-Verbindung.
Abbildung 79 Mechanismus der Präparation von Grignard-Verbindungen.
Bei der Präparation des Grignard-Reagenzes handelt es sich um eine heftige
Oberflächenreaktion. Zumeist aber startet sie nicht, da die Magnesiumoberfläche
durch Oxidation deaktiviert ist. Durch Zugabe von 1,2-Dibromethan oder in einem
Ultraschallbad kann die Oberfläche aktiviert werden. Der in Abbildung 79 gezeigte
Mechanismus verläuft radikalisch.
60
3.4.2 Organolithiumverbindungen
Abbildung 80 Addition von Butyllithium an Cyclohexanon.
In Abbildung 80 ist die Reaktion von n-BuLi mit Cyclohexanon zum tertiären Alkohol
gezeigt. Beim Umgang mit Organolithiumverbindungen ist darauf zu achten, dass
diese sehr heftig mit Luft-Sauerstoff reagieren und sich spontan entzünden. Sie sind
im Allgemeinen reaktiver als Grignard-Verbindungen.
Die Präparation von Organolithiumverbindungen soll in nachstehender Abbildung
gezeigt werden:
MeCl2 Li, Et2O
MeLi + LiCl
Br
OMe
2 Li, Et2O
Li
OMe
+ LiBr
Abbildung 81 Darstellung von Organolithiumverbindungen mit elementarem Lithium und Diethylether als Lösungsmittel.
61
3.4.3 Lösungsmittel für Reaktionen mit metallorgani schen Verbindungen
Abbildung 82 Strukturen verwendeter Lösungsmittel in Grignard-Reaktionen und ihre Eigenschaften.
Da es sich bei metallorganischen Verbindungen um eine sehr instabile
Verbindungsklasse handelt, ist es wichtig, dass unreaktive (inerte) Lösungsmittel
eingesetzt werden. Für Grignard-Verbindungen eignet sich die Klasse der Ether
(Abbildung 82), da diese unreaktiv sind und Grignard-Verbindungen darin gut löslich
sind. Für Organolithiumverbindungen werden meist Hexan oder Pentan verwendet.
3.4.4 Kommerziell erhältliche Organolithium- und Grignard-Reagenzien
Me Li
Li
Li
Li
Methyllithium
n-Butyllithium
sec-Butyllithium
tert-Butyllithium
Me MgX
Et MgBr
Bu MgCl
MgX
MgX
Methylmagnesiumhalogenid(X = Cl, Br, I)
Ethylmagnesiumbromid
Butylmagnesiumchlorid
Allylmagnesiumhalogenid(X = Cl, Br)
Phenylmagnesiumhalogenid(X = Cl, Br)
Abbildung 83 Auflistung einiger kommerziell erhältlicher organometallischer Verbindungen.
62
3.4.5 Basizität der Organometallverbindungen
Abbildung 84 Reaktion von Phenylmagnesiumbromid mit Säure.
Organometallverbindungen reagieren in protischen Lösungsmitteln mit einem Proton
zur organischen Verbindung und dem Metallsalz (Abbildung 84). Daher müssen diese
Reaktionen unter Ausschluss von Wasser durchgeführt werden. Im Praktikum werden
deshalb die verwendeten Lösungsmittel absolutiert und die Apparatur sorgfältig durch
Erhitzen getrocknet.
Alkine sind azide genug (pKs ca. 25), um durch Organometallverbindungen (oder durch
Natriumamid NaNH2) deprotoniert zu werden. Dadurch lassen sich die
Organometallverbindungen der Alkine synthetisieren:
Abbildung 85 Deprotonierung einiger Alkine mit Organometallverbindungen.
Die Alkinmetallverbindungen spielen eine wichtige Rolle in der Synthese biologisch-
relevanter Verbindungen, z.B. Hormonen.
63
HO
OMe
H
HH
Li1.
2. H+, H2O
HO
OHMe
H
HH
Östron Ethinylöstradiol
Abbildung 86 Addition von Ethinyllithium an die Carbonylgruppe des weiblichen Hormons Östron zur Synthese der empfängnisverhütenden Verbindung Ethinylöstradiol.
3.4.6 ortho-Lithiierung
Bei der ortho-Lithiierung wird an einem Aromaten in ortho-Position zu einer
funktionellen Gruppe, die ein Sauerstoffatom (manchmal auch ein Stickstoffatom)
beinhaltet, das Proton durch ein Lithiumatom substituiert.
Abbildung 87 Mechanismus der ortho-Lithiierung.
Das Sauerstoffatom der funktionellen Gruppe komplexiert das Lewis-azide Lithium-
atom und bewirkt dadurch die Deprotonierung in ortho-Position. Dadurch erzielt man
in ortho-Stellung zur funktionellen Gruppe ein Kohlenstoffatom mit carbanionischem
Charakter, welches als Nukleophil reagieren kann.
3.4.7 Halogen-Metall-Austausch
Beim Halogen-Metall-Austausch wird an einer alkylischen oder arylischen Halogen-
verbindung das Halogenatom durch ein Lithiumatom aus einer Organolithium-
verbindung ausgetauscht.
64
Abbildung 88 Reaktion des Halogen-Metall-Austauschs.
Das Bromoniumkation wird durch Butyllithium abgespalten und durch das
Lithiumkation ersetzt (Abbildung 88). Das gebildete metallorganische Produkt ist
weniger basisch als die Ausgangsverbindung. Erneut entsteht ein Kohlenstoffatom mit
carbanionischem Charakter.
Als Halogenide können sowohl Chloride, Bromide als auch Iodide verwendet werden.
Die Reaktionen mit Bromid und Iodid verlaufen jedoch am schnellsten.
3.4.8 Transmetallierung
Da Organolithiumverbindungen zumeist sehr reaktiv und stark basisch sind, können
sie unerwünschte Nebenreaktionen verursachen. Daher ist es hilfreich, durch Trans-
metallierung weniger reaktive Organometallverbindungen darzustellen (Abbildung 89).
R MgBr + LiBr R Li R CeCl2 + LiClMgBr2
THF
CeCl3
THF
Abbildung 89 Transmetallierung einer Organolithiumverbindung zu einer Grignard- oder einer Organocerverbindung.
Weitere Transmetallierungsprodukte können auch Organozinkverbindungen
darstellen.
65
Im Folgenden sollen Beispiele für die unterschiedlichen Reaktivitäten gegeben
werden:
Abbildung 90 Während die Organolithiumverbindung das Edukt zum Enolat deprotoniert, addiert sich das weniger basische Cerreagenz an die Carbonylgruppe.
In Abbildung 90 sind Syntheseschritte der Darstellung der Naturstoffe Daunorubicin
und Adriamycin gezeigt. Bei Daunorubicin handelt es sich um einen wichtigen Wirkstoff
(Zytostatikum) in der Therapie von akuter Leukämie. Auch Adriamycin stellt ein
Zytostatikum dar und wird in der Chemotherapie eingesetzt.
3.4.9 Synthese organischer Verbindungen mittels Org anometallverbindungen
In diesem Abschnitt wird erläutert, wie mit Organometallverbindungen sowohl
Carbonsäuren als auch primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole ausgehend von der
Carbonylgruppe synthetisiert werden können.
66
3.4.9.1 Synthese von Carbonsäuren
Organometallverbindungen können leicht in Carbonsäuren überführt werden. Dafür
wird festes Kohlenstoffdioxid zu einer Lösung einer Organolithium- oder Grignard-
Verbindung in THF oder Ether gegeben. Dabei entsteht eine Carbonsäure mit einem
Kohlenstoffatom zusätzlich zur organometallischen Ausgangsverbindung (Abbildung
91).
Abbildung 91 Reaktion einer Grignard-Verbindung mit Kohlenstoffdioxid in Ether unter Bildung einer Carbonsäure.
Die Carbonsäuresynthese mittels einer Organometallreaktion verläuft über drei Stufen.
Zunächst wird die Organometallverbindung dargestellt gefolgt von der CO2-
Analgerung. Durch die wässrige Aufarbeitung wird das Carboxylat protoniert. Jede der
Stufen muss erst beendet werden, bevor die nächste beginnen kann. Bei den ersten
beiden Schritten muss vollständig auf Wasserausschluss geachtet werden.
67
Weitere Beispielreaktion:
Abbildung 92 Synthese von Carbonsäuren über Organometallverbindungen.
Die ortho-Lithiierung (Abbildung 92) findet aus sterischen und stereoelektronischen
Gründen in para-Stellung zur Methylgruppe statt.
3.4.9.2 Synthese primärer Alkohole
Durch die Reaktion von Organometallverbindungen mit Formaldehyd erhält man
primäre Alkohole. Dies wird anhand der folgenden Darstellung gezeigt.
Cl
Mg, Et2O
MgCl
1.CH2O
2.H+, H2O
OH
MgCl
O CH2
O
MgCl
H+
Abbildung 93 Synthese eines primären Alkohols mittels einer Grignard-Verbindung und Formaldehyd.
68
3.4.9.3 Synthese sekundärer (tertiärer) Alkohole
Aldehyde reagieren mit Organometallverbindungen zu sekundären Alkoholen.
Abbildung 94 Synthese sekundärer Alkohole bei der Umsetzung einer Grignard-Verbindung mit einem Aldehyd.
Analog zur Reaktion in Abbildung 94 können mit Ketonen als Edukt tertiäre Alkohole
dargestellt werden.
Spezialfall Ester:
Ester weisen im Gegensatz zu Aldehyden oder Ketonen eine Alkoxy-Gruppe auf,
welche eine relativ gute Abgangsgruppe darstellt. So kann nach der Addition entweder
das Halbacetal bestehen bleiben oder aber es kommt zur Addition eines weiteren
Äquivalents der Grignard-Verbindung und somit zum tertiären Alkohol. Im Falle des
Esters geschieht letzteres, wobei, wie in Abbildung 95 gezeigt, zunächst das Keton
entsteht.
Abbildung 95 Mechanismus der Grignard-Reaktion an einem Carbonsäureester unter Entstehung des Ketons und darauffolgend die erneute Addition zum tertiären Alkohol.
Es stellt sich bei der Betrachtung des Mechanismus die Frage, ob man die Reaktion
auf der Stufe des Ketons stoppen kann. Dies könnte theoretisch dadurch realisiert
werden, dass (im Bezug auf den Ester) nur ein Äquivalent der Grignard-Verbindung
69
hinzugegeben wird. Zur Erklärung dessen führen wird folgendes Gedankenexperiment
durch.
Es wird angenommen, dass 100 Moleküle Grignard-Verbindung und 100 Moleküle
Ethylacetat vorliegen. Nachdem ein Molekül der Grignard-Verbindung mit dem Ester
reagiert hat liegen 99 Moleküle Ester und ein Molekül Keton vor. Dies ist in folgender
Abbildung 96 illustriert.
Abbildung 96 Gedankenexperiment für die Reaktion von einem Carbonsäureester mit einer Grignard-Verbindung, wobei zunächst 1 Molekül Keton entsteht.
Das nächste Molekül der Grignard-Verbindung hat nun die Wahl mit dem einzigen
Molekül des Ketons oder einem der 99 Moleküle des Ethylacetats zu reagieren. Rein
statistisch ist die Reaktion mit dem Ester wahrscheinlicher, da hiervon 99 Moleküle
vorliegen. Was jedoch beobachtet wird, ist die Reaktion mit dem Keton zum tertiären
Alkohol.
Abbildung 97 Reaktion des Esters mit der Grignard-Verbindung zu insgesamt 50 Molekülen des tertiären Alkohols. Es verbleiben außerdem 50 Moleküle des Ausgangsesters.
Dass die Grignard-Verbindung mit dem Keton reagiert, lässt sich durch die wesentlich
höhere Elektrophilie von Ketonen im Gegensatz zu Estern erklären. Die Reaktivitäten-
Reihenfolge der Carbonsäurederivate wurde in Kapitel 3.2.1ausführlich erläutert.
3.4.9.4 Zusammenfassung
Bei der Addition von Organometallverbindungen an Carbonyle wird die Oxidationsstufe
um eins erniedrigt. In nachstehender Tabelle sind die aus den jeweiligen
Carbonsäurederivaten entstehenden Produkte zusammengestellt.
70
Tabelle 8 Produkte der jeweiligen Carbonsäurederivate nach der Umsetzung mit R2-MgX. Edukt Produkt nach Addition von R2-MgX
Kohlenstoffdioxid
Carbonsäure
Ester
Tertiärer Alkohol
Keton
Tertiärer Alkohol
Aldehyd
Sekundärer Alkohol
Formaldehyd
Primärer Alkohol
3.4.9.5 Mechanismus der Addition von Organometall- an Carbonyl-
Verbindungen
Der Mechanismus dieser Reaktionen ist bislang unbekannt. Nach der heterolytischen
Spaltung der C–M-Bindung wird das Metallkation an den anionischen Sauerstoff
koordiniert. Dieses wird dann bei der Aufarbeitung durch ein Proton ersetzt und als
Metallsalz abgetrennt. Wahrscheinlich trägt das Metallatom in der metallorganischen
Verbindung die Rolle einer Lewis-Säure, die die Carbonylgruppe aktiviert bzw. die
Reaktion katalysiert.
71
Verschiedene Mechanismen werden diskutiert:
Mechanistischer Vorschlag 1:
Br
Mg
R
O
R
O
BrMg
R
O MgBr
möglicher Übergangszustand: Br
Mg O
R4-gliedriger Ring (?)
Abbildung 98 Mechanistische Betrachtung der Grignard-Reaktion mit einem 4-gliedrigen Übergangszustand. Im Übergangszustand werden gleichzeitig Bindungen gebrochen und neue aufgebaut.
Mechanistischer Vorschlag 2:
O
R
MgBr
Br
Mg
R
O
RMgBr
BrMg
R
O
RMgBr2
Mg
R
Abbildung 99 Alternative Betrachtung, wobei zwei Moleküle Grignard-Reagenz involviert sind. Der Übergangszustand ist ein 6-Ring.
72
3.4.10 Aufgaben
zu Kapitel 3.4
Aufgaben:
1. Wie stellen Sie Grignard-Verbindungen her? Wie stellen Sie
Organolithium-Verbindungen her?
2. Welche Lösungsmittel verwenden Sie und weshalb?
3. Was versteht man unter ortho-Lithiierung?
4. Was versteht man unter Transmetallierung?
5. Wie erhalten Sie primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole in einer
Grignard-Reaktion? Wie erhalten Sie Carbonsäuren?
73
Die Wittig-Reaktion
Kapitel 11 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie 2013, 2. Auflage, Springer Verlag
Chapter 31 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organic Chemistry 2001, 1. Auflage, Oxford
Eine weitere Reaktion, in der das Kohlenstoffatom als Nukleophil reagiert, ist die
Wittig-Reaktion. Im folgenden Abschnitt wird diese Reaktion detailliert behandelt.
Bei der Wittig-Reaktion wird eine Carbonylgruppe in eine C=C-Doppelbindung
überführt. Somit können zwei organische Verbindungen durch eine Doppelbindung
verknüpft werden.
3.5.1 Einführung
OPh3P CH2
O
CH2
PPh3
+ Ph3PO
86% AusbeutezyklischesOxaphosphetan
Abbildung 100 Grundschema der Wittig-Reaktion.
Das Ylid (siehe Abbildung 100) lagert sich an den elektrophilen Carbonylkohlenstoff
an, während der Phosphor mit dem Carbonylsauerstoff eine Bindung eingeht. In situ
bildet sich dadurch ein zyklisches Oxaphosphetan (Abbildung 100). Dieses zerfällt
sofort zum thermodynamisch stark begünstigten tertiären Phosphinoxid und der
neuen organischen Verbindung. Die Bildung des Phosphinoxids ist die treibende Kraft
der Wittig-Reaktion.
3.5.2 Darstellung des Wittig-Reagenzes bzw. des Ylids
Entscheidend für die Reaktion ist das Wittig-Reagenz. Dieses wird aus einem
Phosphan und einer Halogenkohlenwasserstoff-Verbindung gewonnen. Nach
Deprotonierung an einem dem Phosphor benachbarten Kohlenstoffatom entsteht ein
C-Nukleophil, genannt Ylid.
74
Abbildung 101 Synthese des Wittig-Reagenzes: Triphenylphosphin substituiert das Halogenatom eines Alkylhalogenids zum Phosphoniumsalz. Dies trägt in direkter Nachbarschaft ein azides Proton, welches durch eine starke Base abgespalten wird. Das so synthetisierte Ylid, kann auch als Ylen (Phosphoran) beschrieben werden.
Ylide können isoliert werden, aber zumeist werden sie gleich mit einem Aldehyd oder
Keton umgesetzt.
3.5.3 Mechanismus
In folgender Abbildung ist der Mechanismus der Wittig-Reaktion mit gekrümmten
Pfeilen dargestellt.
Abbildung 102 Mechanismus der Wittig-Reaktion.
Resultat: Knüpfung neuer C=C Bindung
75
3.5.4 Stereoselektivität
Bei der Wittig-Reaktion wird eine neue stereogene Einheit erzeugt; eine
Doppelbindung. Die Reaktionen verlaufen mit einer ausgeprägten Stereoselektivität.
Diese hängt vom Substituenten des Kohlenstoffatoms am Ylid ab (Abbildung 103).
Abbildung 103 Beispiele einer Z-selektiven und einer E-selektiven Wittig-Reaktion.
Es wird hierbei zwischen stabilisierten und nicht stabilisierten Yliden unterschieden.
• mit stabilisierten Yliden ist die Wittig-Reaktion E-selektiv
• mit nicht stabilisierten Yliden ist die Wittig-Reaktion Z-selektiv
Abbildung 104 Strukturmerkmal eines stabilisierten und eines nicht stabilisierten Ylids.
Stabilisierte Ylide zeichnen sich durch eine Carbonylfunktion in direkter Nachbarschaft
zum Ylid Kohlenstoffatom aus, wohingegen nicht stabilisierte Ylide Alkylsubstituenten
aufweisen.
Die Stereochemie der Wittig-Reaktion soll in den nachstehenden Abschnitten und
Schemata erklärt werden.
76
- kinetische Reaktionskontrollebevorzugt Z-Produkt- thermodynamische Reaktionskontrollebevorzugt E-Produkt
Abbildung 105 Energiediagramm der Wittig-Reaktion zu den Konstitutionsisomeren, dem Z- und dem E-Produkt.
Aus dem Vergleich der Energieniveaus in Abbildung 105 gehen folgende Beziehungen für die Stabilitäten hervor:
∆GE0 < ∆GZ0 ⇒ E-Produkt ist stabiler
∆GZ10‡ < ∆GE10‡
∆GZ20‡ ≈ ∆GE20‡
∆GZ20‡ << ∆GZ10‡
∆GE20‡ << ∆GE10‡
Aus der thermodynamischen Reaktionskontrolle geht immer das stabilere Produkt
hervor, da es hier zur Gleichgewichtseinstellung kommen kann. Die kinetische
Reaktionskontrolle bevorzugt dagegen das Produkt, zu wessen Bildung eine
niedrigere Aktivierungsenergie von Nöten ist. In diesem Fall ist die Reaktion
irreversibel.
Beim nicht stabilisierten Ylid liegt ein irreversibler Schritt vor, sodass die Reaktion
kinetisch-kontrolliert verläuft (Abbildung 106).
R1PPh3
R2CHO
OPh3P
R1 R2 R1 R2
Abbildung 106 Für nicht stabilisierte Ylide verläuft die Reaktion irreversibel.
77
Die Bildung des Oxaphosphetans verläuft irreversibel, da das Ylid nicht stabilisiert
wird. Der zweite Schritt, der Zerfall des Oxaphosphetans erfolgt stereospezifisch. Aus
dem cis-Oxaphosphetan kann nur das Z-Produkt entstehen.
Der Angriff des Ylids erfolgt hierbei senkrecht an die Carbonylfunktion. Da dies für das
grundlegende Verständnis des Mechanismus relevant ist, soll dies mithilfe folgender
Abbildung 107 anhand der Orbitalüberlappungen erklärt werden.
Abbildung 107 Darstellung der reagierenden Molekülorbitale während der Oxaphosphetan-Bildung. Orbitale gleichen Vorzeichens können in Wechselwirkung miteinander treten, während Orbitale mit entgegengesetztem Vorzeichen sich abstoßen.
Durch die rechtwinklige Annäherung des HOMOs vom Ylid an das LUMO der
Carbonylgruppe wird die größtmögliche Überlappung erreicht.
Dass der Angriff senkrecht erfolgt, wird bei der detaillierteren Betrachtung des
Mechanismus (Abbildung 108) deutlich und spielt eine entscheidende Rolle für die
Erklärung der Stereochemie.
Abbildung 108 Mechanismen der Wittig-Reaktion mit stabilisierten und nicht stabilisierten Yliden.
78
Das Gleichgewicht zwischen den diastereomeren Oxaphosphetanen liegt aus
sterischen Gründen auf Seiten der trans-Verbindung. Der Übergangszustand, welcher
zur cis-Verbindung führt, ist jedoch sterisch bevorzugt. Stabilisierte Ylide ermöglichen
die Gleichgewichtseinstellung zwischen den diastereomeren Oxaphosphetanen, da
sie das intermediäre Carbanion stabilisieren (Abbildung 109). Verwendet man ein
unstabilisiertes Ylid so bildet sich aus kinetischen Gründen das cis-Oxaphosphetan,
welches zum Z-Produkt reagiert. Das Oxaphosphetan kann nicht zur trans-Verbindung
isomerisieren, da die Zwischenstufe dieser Isomerisierung nicht stabilisiert wird.
Der Mechanismus der cis/trans-Isomerisierung ist in nachstehender Abbildung
gezeigt:
Abbildung 109 Mechanismus der Entstehung des trans-Oxaphosphetans bei stabilisierten Yliden ausgehend vom bereits geöffneten cis-Oxaphosphetan.
Bei der heterolytischen Spaltung der C–C-Bindung entsteht ein Carbanion, welches im
Falle eines stabilisierten Ylids als Enolat stabilisiert wird. Durch Rotation um die
C-P-Bindung wird das trans-Intermediat gebildet, das dann zum trans-Oxaphosphetan
zyklisiert.
Wird die Reaktion unter reversiblen Bedingungen geführt, so kann sich das
cis-Oxaphosphetan in sein trans-Isomer umwandeln und das thermodynamisch-
bevorzugte E-Produkt entsteht.
79
Bildung & Reaktion von Enolen und Enolaten
Kapitel 20 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie 2013, 2. Auflage, Springer Verlag
Chapter 21 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organic Chemistry 2001, 1. Auflage, Oxford
Enolate sind eine weitere Gruppe wichtiger C-Nukleophile, die vor allem eine Rolle in
der Aldolchemie spielen. Es sollen zunächst deren säure- und basenkatalysierte
Bildung, die Keto-Enol-Tautomerie und schließlich einige Eigenschaften behandelt
werden.
3.6.1 Keto-Enol-Tautomerie
Im NMR-Spektrum von Dimedon findet man zwei Verbindungen:
O O O OH
70 % 30 %
Dimedon (5,5-Dimethoxycyclohexan-1,3-dion)
Abbildung 110 Tautomere des Dimedon im Verhältnis Keto : Enol 7:3.
Das Gleichgewicht zwischen einem Keton und dessen Enol-Form wird Keto-Enol-
Tautomerie genannt. Dieses Gleichgewicht liegt in der Regel auf der Seite der Ketone.
Dies soll im Folgenden diskutiert werden.
O OH
0.001 %
Aceton: Cyclohexanon: O OH
0.02 %
Abbildung 111 Tautomere von Aceton und von Cyclohexanon.
80
3.6.1.1 Lage des Gleichgewichtes
Aus dem Vergleich von Keto- und Enol-Form geht hervor, dass die Keto-Form um ca.
40 kJ/mol stabiler ist. Dies erklärt auch den Unterschied beim Aceton, bei dem die
Enol-Form nur zu 0.001 % vorliegt. Die Berechnung der Energien erfolgt hier aus der
Summation der Bindungsenergien der signifikanten Bindungen.
E
Keto
Enol
O
H
O
H
Keto Enol
C O 720 kJ/mol
C H 440 kJ/mol
C C 620 kJ/mol
O H 500 kJ/mol
1160 kJ/mol 1120 kJ/mol
Bindungsstärken:
Abbildung 112 Energetischer Vergleich der Keto- und der Enol-Form von Aceton. Die Werte der Bindungsstärken sind aus Warren et al.
3.6.2 Katalyse
Die Enolisierung wird durch allgemeine Säure-Base-Katalyse beschleunigt!!!
a) Säurekatalyse
Abbildung 113 Mechanismus der säurekatalysierten Enolisierung.
Durch die Säure wird das Sauerstoffatom der Carbonylfunktion protoniert, wodurch die
Elektrophilie des Carbonylkohlenstoffatoms gesteigert wird. Hierdurch kann in
81
α-Position zur Carbonylfunktion deprotoniert werden um die Ladungsneutralität wieder
herzustellen.
b) Basenkatalyse
Abbildung 114 Mechanismus der basenkatalysierten Enolisierung.
Durch die Base wird das azideste Wasserstoffatom, welches in α-Position zur
Carbonylgruppe liegt, abgespalten. Es entsteht ein Enolat, welches durch Wasser
protoniert wird.
3.6.3 Azidität
Es stellt sich die Frage, welches der Tautomere (Keto oder Enol) saurer (azider) ist.
Keto-
O
H
H
OH
H
Enol-
Deprotonierung
O
H
O
H
Enolat
Keto-
Enol-
G0Keto
G0Enol
E
Abbildung 115 Vergleich der Azidität zwischen der Keto- und der Enol-Form.
Durch Deprotonierung beider Tautomere kommt man zum gemeinsamen Produkt,
dem Enolat. Die Enol-Form ist energetisch ungünstiger, wodurch der Energiegewinn
82
nach der Deprotonierung größer ist (|∆G0Enol| > |∆G0Keto|). Das erklärt die größere
Azidität der Enol-Form.
Merke: Das Enol-Tautomer ist azider als das Keto-Tautomer einer
Carbonylverbindung!
3.6.4 Struktur des Enolats
Es stellt sich die Frage, wie man ein Enolat mittels Lewisstrukturen beschreiben sollte.
Abbildung 116 Mesomere Grenzformeln des Enolats.
Lokalisiert man die negative Ladung am Sauerstoff so spricht man vom Oxianion bzw.
am Kohlenstoff von einem Carbanion. Diese Beschreibung ist analog zum Allylsystem:
Abbildung 117 Orbital-Analogie zwischen einem Allylsystem und einem Enolatsystem.
Während im Allylsystem die Elektronendichte symmetrisch verteilt ist, liegt sie beim
Enolat im niedrigen π-MO auf dem Sauerstoff und im HOMO auf dem α-Kohlenstoff.
83
3.6.5 Aufgaben
zu Kapiteln 3.5 und 3.6
Fragen:
1. Wie stellt man ein Wittig-Reagenz her?
2. Welche Regeln für die Stereoselektivität der Wittig-Reaktion kennen Sie?
3. Wie können Sie ein Enol erzeugen? Wie können Sie ein Enolat erzeugen?
4. Ist eine Keto-Verbindung oder eine Enol-Verbindung azider? Merken Sie
sich das Prinzip der Erklärung, es lässt sich auf viele Fragestellungen
anwenden!
5. Wie können Sie im MO-Modell das Enolat beschreiben?
84
Chemie des Enolatanions
Kapitel 25 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie 2013, 2. Auflage, Springer Verlag
Chapter 26 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organic Chemistry 2001, 1. Auflage, Oxford
Es soll nun die Chemie des Enolat-Anions im Vordergrund stehen. Hierbei werden die
kinetische und die thermodynamische Enolatbildung, sowie die Reaktionen von
Enolat-Anionen, wie zum Beispiel die C- oder O-Alkylierung behandelt.
Bei Ketonen, welche Wasserstoffatome in der α-Position aufweisen, können im Zuge
der Deprotonierung mehrere Produkte entstehen. Diese Problemstellung ist anhand
der Enole des Methylethylketons gezeigt:
OH+
OH OH
+
Z
OH
+
E
Säurekatalysiert:
O OHO O
+
Z
O
+
E
Basenkatalysiert:
Abbildung 118 Produkte der säure- oder basenkatalysierten Enolisierung von Methylethylketon.
Da höher substituierte Doppelbindungen stabiler sind, spricht man hier von der
thermodynamisch kontrollierten Enolatbildung. Dementsprechend handelt es sich bei
niedriger substituierten Doppelbindungen um kinetische Enolate.
Mögliche Basen zur Deprotonierung sind:
1. NaOEt in EtOH und unter Rückfluss
⇒ thermodynamisch-kontrollierte Enolatbildung
2. Lithiumdiisopropylamid (LDA) in etherischem Lösungsmittel (THF, Et2O) bei -78 °C
⇒ kinetisch-kontrollierte Enolatbildung
85
Abbildung 119 Struktur des Lithiumdiisopropylamids (LDA).
Das erhaltene Enolation ist sowohl von den Reaktionsbedingungen als auch von der
eingesetzten Base abhängig. Aufgrund des großen sterischen Anspruchs bevorzugt
LDA die kinetische Deprotonierung, während mit NaOEt das thermodynamische
Produkt bevorzugt wird. Dies ist auch von der Temperatur abhängig. Hier verhält sich
der Zusammenhang folgendermaßen:
hohe Temperatur ⇒ thermodynamische Kontrolle
niedrige Temperatur ⇒ kinetische Kontrolle
Anhand der Enolbildung des Methylethylketons sollen das thermodynamische und das
kinetische Produkt zusammengefasst werden.
Thermodynamische Produkte:
Abbildung 120 Produkte der thermodynamisch kontrollierten Enolbildung des Methylethylketons.
Die Enole mit der höher-substituierten Doppelbindung sind die thermodynamischen
Produkte.
Kinetisches Produkt:
Abbildung 121 Produkt der kinetisch kontrollierten Enolbildung des Methylethylketons.
Das Enol mit der niedriger-substituierten Doppelbindung ist das kinetische Produkt.
86
Zur Bestimmung der thermodynamischen Stabilität der Enole betrachtet man die
Hydrierungsenthalpien der analogen Butene:
Abbildung 122 Hydrierung der drei isomeren Butene zum Butan.
In Abbildung 122ist Verbindung 16 stabiler als 17 und 17 ist stabiler als 15.
Beispiele:
Abbildung 123 Beispiele für eine kinetisch- und eine thermodynamisch-kontrollierte Enolatbildung.
Die Gründe für die kinetische Bevorzugung der Deprotonierung der Methyl-Protonen
gegenüber der Methylen-Protonen sind folgende:
1. Sterischer Effekt : Methyl-Protonen sind weniger stark abgeschirmt als die
Methylen-Protonen
2. Statistischer Effekt : Es befinden sich 3 Protonen am Methyl-Kohlenstoff
und nur 2 Protonen am Methylen-Kohlenstoff.
87
Gleichgewichtseinstellung mit Natriumethanolat in Ethanol:
EtO- Base
EtOH konjugierte Säure
⇒ thermodynamisches Gleichgewicht der stabilen Enolate
Zur Identifikation des azidesten Protons, ist es von entscheidender Bedeutung die
pKa-Werte einiger ausgewählter Verbindungen und somit deren reaktivste Stellen, zu
kennen.
Abbildung 124 pKa-Werte ausgewählter organischer Verbindungen.
88
3.7.1 C-Alkylierung
Durch Enolate können Carbonylfunktionen in α-Position alkyliert werden. Es können
hierbei mehrere Produkte entstehen, wobei die Reaktion in der Regel mit einem
Alkylhalogenid abläuft:
Abbildung 125 Produkte der C-Alkylierung der Enolate des Methylethylketons. ( X = Cl, Br, I oder Pseudohalogenid).
Der Mechanismus der Reaktion ist in der folgenden Abbildung gezeigt.
Abbildung 126 Mechanismus der C-Alkylierung von Enolaten unter kinetischer Kontrolle.
Neben der C-Alkylierung kann auch die O-Alkylierung stattfinden.
3.7.2 O-Alkylierung
Abbildung 127 Produkte der O-Alkylierung der Enolate des Methylethylketons.
89
Bei der O-Alkylierung erfolgt die Reaktion vom Enolat und dem Alkylhalogenid über
das Sauerstoffatom der Carbonylgruppe.
3.7.3 Vergleich der C- und O-Alkylierung
Aufgrund dieser Chemoselektivität gehören Enolate zu den ambiphilen Nukleophilen.
Abbildung 128 Mesomere Grenzformeln des Enolat-Anions.
Um das Nukleophil zu identifizieren, welches reagiert, wird das HSAB-Prinzip (Hard
and Soft Acids and Bases) herangezogen.
Zur Erinnerung:
Harte Säuren sind klein, nicht polarisierbar und weisen hohe Ladungsdichten auf.
Weiche Säuren sind dagegen größer, polarisierbar und haben eine geringere
Elektronendichte.
Harte Basen sind analog dazu klein, nicht polarisierbar und weisen eine hohe
Elektronendichte auf. Weiche Basen sind groß, leicht polarisierbar und haben eine
niedrige Elektronendichte.
So ist es nun möglich den mesomeren Grenzformeln in Abbildung 128 harte und
weiche Lewis-Basizitäten zuzuordnen:
Abbildung 129 Lewis-basischen Eigenschaften der mesomeren Grenzformeln des Enolat-Anions.
O-Position: hartes Nukleophil, SN1-Mechanismus
C-Position: weiches Nukleophil, SN2-Mechanismus
90
Typische Elektrophile sind in folgender Abbildung gezeigt:
Abbildung 130 Beispiele typischer Elektrophile für O- oder C-Alkylierung eines Enolats.
⇒ hartes Nukleophil reagiert mit hartem Elektrophil
weiches Nukleophil reagiert mit weichem Elektrophil
Nachfolgend ist eine Beispielreaktion für die O- und die C-Alkylierung in Abhängigkeit
vom Lösungsmittel und eingesetztem Halogenid gezeigt.
Abbildung 131 Beispielreaktion zur Selektivität der Alkylierung eines Enolat-Anions.
Durch Wahl des Lösungsmittels (LM) und des Halogenids X lässt sich die Selektivität
dirigieren (siehe Tabelle 9).
91
Tabelle 9 Selektivität der Alkylierung bei verschiedenen Bedingungen.
LöMi X C-Alkylierung O-Alkylierung Dimethylformamid (DMF) Cl 54 % 46 %
DMF I 99 % 1 % Aceton Cl 90 % 10 %
Abbildung 132 Strukturformel des Dimethylformamids (DMF).
3.7.4 Regioselektivität der C-Alkylierung
Die C-Methylierung von 2-Methylcyclohexanon kann zu zwei verschiedenen
Konstitutionsisomeren führen:
Abbildung 133 C-Methylierung von 2-Methylcyclohexanon.
Unter welchen Bedingungen welches Isomer entsteht soll im Folgenden diskutiert
werden.
92
2,6-Dimethylcyclohexanon:
Abbildung 134 Synthese von 2,6-Dimethylcyclohexanon aus 2-Methylcyclohexanon und Methyliodid mit der Base Lithiumdiisopropylamid (LDA) bei -78 °C.
Mit der sterisch anspruchsvollen Base LDA und der niedrigen Temperatur von -78 °C
verläuft die Deprotonierung unter kinetischer Kontrolle. Es entsteht ein Regioisomer.
2,2-Dimethylcyclohexanon:
Abbildung 135 Synthese von 2,2-Dimethylcyclohexanon aus 2-Methylcyclohexanon und Methyliodid mit der Base Natriumethanolat in Ethanol unter Rückfluss.
Werden die Edukte unter reversiblen Bedingungen (NaOEt in EtOH unter Rückfluss)
umgesetzt, erfolgt die Deprotonierung thermodynamisch kontrolliert. Problematisch ist
bei dieser Umsetzung jedoch, dass häufig Mehrfachalkylierungen erfolgen.
⇒ Variation der Synthese notwendig!!!
Die isomeren Enolate müssen als Vorform isoliert werden.
93
Enolat-Analoga
Kapitel 20 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie 2013, 2. Auflage, Springer Verlag
Chapter 21 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organic Chemistry 2001, 1. Auflage, Oxford
In diesem Kapitel sollen Enamine, Enolester und Silylenolether behandelt werden,
welche als Enolat-Analoga gelten.
3.8.1 Enamine
Gilbert Stork entwickelte 1954 die Idee, zunächst aus Carbonylverbindungen die
isomeren Enamine zu isolieren, welche voneinander getrennt werden können. Mit
diesen Enaminen lassen sich dann die Alkylierungen zum selektiven Produkt
durchführen. Die wässrige Aufarbeitung der Iminiumsalze führt dann zu den
gewünschten Carbonylverbindungen.
H
O
+ N
H
H+
N
N
2 isomere Produkte(voneinander trennbar)
C I
N
NMeI
I
I
Iminiumsalze
MeI
+
H
H
Abbildung 136 Verwendung von Enaminen zur selektiven Alkylierung von unsymmetrischen Carbonylverbindungen.
94
3.8.2 Enolester
Auch können Enolester synthetisiert und die Isomeren voneinander getrennt werden.
Abbildung 137 Selektive Methylierung von 2-Methylcyclohexanon über die Zwischenstufe der Enolester.
Die konstitutionsisomeren Enolester (23 und 24) werden isoliert, voneinander getrennt
und weiter umgesetzt (Weiterreaktion mit 23 entsprechend). Zur Spaltung der Ester-
Bindung werden 2 Äquivalente Methyllithium benötigt, da das Nebenprodukt, Aceton,
elektrophiler ist, als Verbindung 24. Erst nach der Rückgewinnung des Enolat-Anions
wird das Elektrophil, Methyliodid, zugegeben.
3.8.3 Silylenolether
Zuletzt können die Enolate als Silylenolether abgefangen werden. Die Reaktion erfolgt
hierbei am Sauerstoffatom des Enolats. Nach der Trennung der Konstitutionsisomere
erfolgt die Abspaltung des Silylrests mit Methyllithium. Nach der Abspaltung des
Silylrestes mit Methyllithium kann das Elektrophil zugegeben werden.
95
O
TMS-ClOTMS
+
O Li Me
O Li
H3C I
O
+ LiI
Base
Si
Me
Me
Me
MeLi
Abbildung 138 Bei der Reaktion von 2-Methylcyclohexanon mit Trimethylsilylchlorid (TMS-Cl) und einer Base bilden sich die Silylenolether, die wieder aufgetrennt werden können.
Aufgaben
zu Kapiteln 3.7– 3.8
Fragen:
1. Welche Basen nimmt man zur Herstellung von Enolaten? Wie
unterscheiden sich die Basen?
2. Wie erklären Sie die Entstehung des kinetisch bevorzugten Enolats und
wie erklären Sie die Entstehung des thermodynamisch bevorzugten
Enolats?
3. Wie erklären Sie die C- bzw. O-Alkylierung des Enolats?
4. Wie können Sie die Regioselektivität der C-Alkylierung kontrollieren?
96
1,3-Dicarbonylverbindungen/ β-Dicarbonylverbindungen
Kapitel 20 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie 2013, 2. Auflage, Springer Verlag
Chapter 21 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organic Chemistry 2001, 1. Auflage, Oxford
Warum Dicarbonylverbindungen so hervorragende Nukleophile sind, wird in diesem
Kapitel verdeutlicht. Es werden Aldolreaktionen mit unsymmetrischen Ketonen,
gekreuzte Aldolreaktionen und die Cannizzaro-Reaktion mit
1,3-Dicarbonylverbindungen (auch β-Carbonylverbindungen) vorgestellt.
R
O O
H H
1 2 3α
β
pKa ~10 pKa ~20
K2CO3
Aceton,Rückfluss
R
O O
R
O O
R
O OK
MeIR
O O
Merac
Abbildung 139 Methylierung einer 1,3-Dicarbonylverbindungen.
Die Azidität von Protonen zwischen zwei Carbonylfunktionen ist stark erhöht. Während
Protonen in α-Position einer Carbonylfunktion einen pKa von ca. 20 aufweisen, liegt
dieser bei 1,3-Dicarbonylverbindungen bei ca. 10. Somit ist es bereits möglich, diese
mit schwachen Basen, z.B. Kaliumcarbonat, zu deprotonieren. Die negative Ladung
des Enolats wird über beide Carbonylgruppen delokalisiert (siehe Abbildung 139) und
somit wird das Enolat stabilisiert. Zur Stabilisierung tragen auch Kationen bei, die
durch die Carbonylsauerstoffatome chelatförmig komplexiert werden.
97
Typische 1,3-Dicarbonylverbindungen sind in folgender Abbildung dargestellt:
Abbildung 140 Häufig verwendete 1,3-Dicarbonylverbindungen.
3.10.1 Decarboxylierung
β-Carbonylverbindungen, welche eine Carbonsäuregruppe aufweisen, neigen zur
Decarboxylierung. Liegt die freie Carbonsäure, z.B. nach einer Verseifung, vor, spaltet
sich gleich im Anschluss das thermodynamisch äußerst stabile CO2 ab und die
negative Ladung kann als Enolat stabilisiert werden.
Abbildung 141 Mechanismus der Decarboxylierung einer β-Carbonylverbindung.
98
In Abbildung 141 wird zunächst der Ester zur Carbonsäure verseift. Gleich darauf wird
CO2 abgespalten, wobei die Ketoverbindung entsteht.
Ein weiteres Beispiel für eine Decarboxylierung ist in folgender Abbildung 142
gegeben. Hierbei handelt es sich um eine Krapcho-Decarboxylierung.
Abbildung 142 Synthese einer organischen Verbindung unter Verwendung einer 1,3-Dicarbonylverbindung und der Decarboxylierung unter Krapcho-Bedingungen.
99
Intramolekulare Reaktionen treten in Konkurrenz zur Decarboxylierung, was mit dem
nachfolgenden Beispiel untermauert werden soll.
Abbildung 143 Synthese eines Cyclobutanderivates durch eine intramolekulare Reaktion.
Weiterhin geht aus obigem Beispiel hervor, dass die Alkylierung bei bifunktionellen
Substraten zweifach geschehen kann.
Intramolekulare Reaktionen sind entropisch so begünstigt, dass sie mit einem Faktor
von bis zu 107 schneller verlaufen als intermolekulare Reaktionen. Aus diesem Grund
ist es sogar möglich einen gespannten 4-Ring aufzubauen.
100
3.10.2 Doppelalkylierung von 1,3-Dicarbonylverbindu ngen
Die Fragestellung, welche dieses Kapitel behandeln soll, geht aus Abbildung 144
hervor.
Abbildung 144 1,3-Dicarbonylverbindung mit zwei unterschiedlich aziden Positionen.
Damit eine solche Doppelalkylierung stattfinden kann, bei der zuerst ein Rest an der
endständigen Position eingeführt wird, muss die 1,3-Dicarbonylverbindung zweifach
deprotoniert werden. Hierzu werden zwei Äquivalente an Base benötigt, wobei diese
stark genug sein muss, um auch die weniger azide Position deprotonieren zu können.
In diesem Beispiel wird hierzu Buthyllithium (BuLi) verwendet:
Abbildung 145 Zweifache Alkylierung einer 1,3-Dicarbonylverbindung.
Nach der zweifachen Deprotonierung handelt es sich bei der zuletzt deprotonierten um
die nukleophilere Position. Aufgrund dessen ist es möglich dort einen Rest R
einzuführen. An der stark aziden Position zwischen den Carbonylgruppen kann eine
andere Gruppe R‘ eingefügt werden.
101
α,β-ungesättigte Carbonylverbindungen
Kapitel 22 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie 2013, 2. Auflage, Springer Verlag
Chapter 29 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organic Chemistry 2001, 1. Auflage, Oxford
α,β-ungesättigte Carbonylverbindungen werden auch als Enone bezeichnet, wobei sie
zwei elektrophile Stellen aufweisen:
OO
1
2
3
4
α
β
δ−
δ−δ+
δ+
Nu K(ation)1,2-Additio
n
ONu
K
hartes Nukleophil
O
1,4-Addition K
Nu
weiches Nukleophil
Abbildung 146 Die nukleophile Addition an eine α,β-ungesättigte Carbonylverbindung hängt von der Chemie des Nukleophils ab (HSAB-Prinzip).
Die nukleophile Addition an Enone (siehe Abbildung 146) kann an zwei Positionen
geschehen. Es handelt sich somit entweder um eine 1,2- oder eine 1,4-Addition.
Welche Reaktion geschieht, hängt in der Regel vom verwendeten Nukleophil ab, da
sich die Elektrophile nach dem HSAB-Prinzip unterscheiden. So handelt es sich bei
dem Carbonylkohlenstoffatom um ein hartes Elektrophil, wohingegen das
Kohlenstoffatom in Position 4 den Charakter eines weichen Elektrophils aufweist. Aus
diesem Grund reagiert ersteres bevorzugt mit harten und letzteres gewöhnlich mit
weichen Nukleophilen. Die Elektrophilie des Kohlenstoffatoms in Position 4 lässt sich
hierbei durch das vinyloge Prinzip erklären.
Vinyloge Prinzip : Die Elektrophilie der 2-Position, des Carbonylkohlenstoffs, wird
durch das konjugierte System teils auf die Position 4 übertragen.
102
3.11.1 1,4-Addition
Für eine 1,4-Addition wird also ein weiches Nukleophil benötigt. Bei der Verwendung
von Organometallverbindungen muss z.B. über eine Transmetallierung zunächst ein
Cuprat hergestellt werden. Sowohl Methyllithium als auch Grignard-Verbindungen sind
harte Reagenzien, die in einer 1,2-Addition mit α,β-ungesättigten
Carbonylverbindungen reagieren. Ein Beispiel für eine 1,4-Addition mit einem Cuprat
ist im nachstehenden Schema gegeben, wobei eine Methylgruppe des Cuprates
übertragen wird:
Abbildung 147 Reaktion von Methylcuprat mit Cyclopent-2-enon unter 1,4-Addition.
Als Produkt der in Abbildung 147 gezeigten Reaktion geht ein Enolat hervor. Dieses
kann wiederum durch ein Elektrophil alkyliert werden, was anhand der Synthese von
Prostaglandinen gezeigt werden soll.
3.11.1.1 Synthesebeispiel: Prostaglandine
Prostaglandine sind wichtige Naturstoffe, die als Gewebshormone fungieren, sodass
die Synthesewege dieser sehr gefragt sind. Bei ihnen ist die trans-Anordnung der
organischen Reste R und R´ wesentlich:
Abbildung 148 Grundstruktur der Prostaglandine.
103
Retrosynthetisch lassen sich Prostaglandine in die in Abbildung 148 gezeigt Vorstufe
zerlegen. Diese Struktur lässt sich aus α,β-ungesättigten Carbonylverbindungen
aufbauen:
Abbildung 149 Teil der Prostaglandin-Synthese aus Cyclopent-2-enon durch 1,4-Addition eines Cuprats und anschließender nukleophiler Reaktion des Enolats.
Die trans-Anordnung ist aus sterischen Gründen bevorzugt, wobei jedoch ein Racemat
entsteht.
104
Die Aldolreaktion (Aldolddition + Aldolkondensatio n)
Kapitel 26 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie 2013, 2. Auflage, Springer Verlag
Chapter 27 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organic Chemistry 2001, 1. Auflage, Oxford
Die Aldolreaktion lässt sich in zwei Schritte unterteilen; die Aldoladdition und die
Aldolkondensation. Die Reaktion kann sowohl durch Basen als auch durch Säuren
katalysiert werden. Diese beiden Arten der Katalyse sollen im Folgenden beleuchtet
werden.
3.12.1 Basenkatalysierte Aldoladdition und –kondens ation
Der Mechanismus der basenkatalysierten Aldolreaktion ist in folgender Abbildung 150
aufgeführt.
O
H
NaOH
Rückfluss
O
H
O
H
O
H
O
H
H
OH
∗
H
O OH
rac
AlkoholAldehyd
β-Hydroxyaldehyd3-Hydroxybutanal
ALDOL
O
HnukleophilesEnolat
O
H
elektrophilesAldehyd
CH-azideKomponente
Akzeptor-Komponente
neue Bindung
Abbildung 150 Synthese eines β-Hydroxyaldehyds aus Acetaldehyd im Basischen unter Rückfluss.
Der Acetaldehyd reagiert nach der Deprotonierung durch NaOH als nukleophiles
Enolat mit einem zweiten Molekül des elektrophilen Acetaldehyds. Nach der
Protonierung des Alkoholats durch Wasser bildet sich ein Aldol.
Als Base werden nur geringe Mengen eines Hydroxids eingesetzt. Das Produkt gibt
der Reaktion den Namen, da in β-Position zum Ald ehyd eine Alkoholgruppe entsteht.
105
Abbildung 151 Auch mit dem in Aceton unlöslichen Bariumhydroxid lässt sich in Aceton das Aldol darstellen.
Treten in der Lösung höhere Konzentrationen an Base auf, kann das Aldol nicht isoliert
werden und eine Aldolkondensation geschieht. Dabei wird H2O abgespalten und als
Produkt entsteht eine α,β-ungesättigte Carbonylverbindung:
Abbildung 152 Synthese der α,β-ungesättigten Carbonylverbindungen Crotonaldehyd und Mesityloxid aus den Aldolen von Acetaldehyd (siehe Abbildung 150 ) und Aceton (siehe Abbildung 151 ).
3.12.2 Säurekatalysierte Aldoladdition und -kondens ation
Die Aldolreaktion läuft auch unter Säurekatalyse ab, wobei der Angriff eines Enols an
ein durch die Säure protoniertes Keton erfolgt, das in nachfolgender Abbildung gezeigt
werden soll.
106
Abbildung 153 Mechanismus der säurekatalysierten Aldolreaktion von Cyclopentanon.
3.12.3 Vergleich der Katalysemechanismen
In diesem Abschnitt sollen der basen- und der säurekatalysierte Mechanismus der
Aldolreaktion miteinander verglichen werden.
Beim basenkatalysierten Mechanismus wird die Nukleophilie der einen Komponente
erhöht, während bei der Katalyse mit einer Brønsted-Säure die andere Komponente
elektrophiler gemacht wird. Es wird also bei der Basenkatalyse die Nukleophilie des
Nukleophils und bei der Säurekatalyse die Elektrophilie des Elektrophils erhöht.
Außerdem kann man durch die geeignete Wahl der Reaktionsbedingungen entweder
das Produkt der Aldoladdition, das Aldol selbst, oder das Produkt der
Aldolkondensation, die α,β-ungesättigte Carbonylverbindung, synthetisieren.
Nachfolgende Tabelle zeigt, dass das bevorzugte Produkt der Aldolreaktion unter
Basenkatalyse das Aldol ist, wobei die Reaktion unter Säurekatalyse in der Regel zum
Enon führt.
107
Tabelle 10 Bevorzugtes Produkt der säure- oder basenkatalysierten Aldolreaktion.
Katalyse Produkt Addition Kondensation
OH – Aldol (Enon)
H + (Aldol) Enon
3.12.4 Aldolreaktion mit unsymmetrischen Ketonen
Ketone, deren Reste sich unterscheiden, nennt man unsymmetrische Ketone.
Abbildung 154 Prinzipieller Aufbau symmetrischer und unsymmetrischer Ketone.
Problem: Regioselektivität
Richtung der Enolatbildung
Das Enolat kann sich bei unsymmetrisch substituierten Ketonen in Richtung R1 oder
in Richtung R2 ausbilden. Dies ist besonders bei der Aldolreaktion dramatisch, da
immer Gleichgewichtsbedingungen vorliegen.
Lösung: nicht enolisierbare Substituenten
R1 ≠ R2 unsymmetr. Keton
R1 = R2 symmetr. Keton
108
Abbildung 155 Aldolreaktionen unsymmetrischer Ketone, bei denen ein Substituent nicht enolisierbar ist.
Nicht enolisierbare Substiuenten zeichnen sich dadurch aus, dass sie keine
Wasserstoffatome in α-Position zur Carbonylfunktion aufweisen. Weist ein
unsymmetrisches Keton einen enolisierbaren und einen nicht enolisierbaren
Substituenten auf, kann sich demnach nur ein Enolat bilden (siehe Abbildung 155).
3.12.5 Gekreuzte Aldolreaktion
Die gekreuzte Aldolreaktion findet zwischen zwei verschiedenen
Carbonylverbindungen statt. Hierbei kommt es zu folgendem Problem:
Problem: Konkurrenz zwischen Selbstkondensation (A + A → A2 + H2O) und
Kreuzkondensation (A + B → AB + H2O)
Lösung: Es darf nur eine der beiden Komponenten ein Enolat bilden können
(Abbildung 156)
109
Abbildung 156 Eine gekreuzte Aldolreaktion von Acetophenon mit para-Nitrobenzaldehyd, welches nicht enolisiert werden kann.
Experimentelle Umsetzung:
Zu einer Vorlage der nicht enolisierbaren Komponente in basischem Milieu wird die
enolisierbare Komponente zugetropft. Somit liegt die erste Komponente im
Überschuss vor und die zweite reagiert gleich nach der Enolisierung mit dieser. Die
Konzentration der zweiten enolisierbaren Komponente ist durch das langsame
Zutropfen so niedrig, dass die Selbstkondensation minimiert wird.
Ein weiteres Beispiel:
In folgender Abbildung 157 ist ein Beispiel für eine gekreutze Aldolreaktion dargestellt.
Hierbei reagiert Aceton unter basischen Bedingungen mit zwei Äquivalenten
Benzaldehyd. Diese Reaktion befindet sich auch unter den Versuchen im organischen
Praktikum.
Abbildung 157 Beispiel einer Aldolreaktion von Aceton mit zwei Äquivalenten Benzaldehyd.
110
Einige nicht enolisierbare Aldolakzeptoren sind in folgender Tabelle gezeigt:
Tabelle 11 Tabelle von blockierten Aldolakzeptoren. Die Reaktivität als Akzeptor nimmt von oben nach unten ab.
O
R H
Substituent R Beispiel
H
O
H H
Formaldehyd
CF3
O
F3C H
tAlkyl-Rest
O
H
Pivalinaldehyd
Aryl
O
H
Benzaldehyd
NR´2
O
Me2N H
Dimethylformamid
OR´
O
OH
H
nicht azidegenugfür NaOH
Lacton
3.12.6 Aldolreaktion von Formaldehyd
Problem: Formaldehyd ist zu reaktiv
Die Reaktivität des Aldolakzeptors ist hierbei so groß, dass die Reaktion erst nach
dreifachem Umsatz abbricht, was in Abbildung 158 dargestellt ist.
111
Abbildung 158 Aldoladdition von Formaldehyd an Acetaldehyd.
Die Reaktivität des Formaldehyds führt beim Versuch, Formaldehyd zu isolieren, zu
einer Disproportionierung, genannt Cannizzaro-Reaktion. Hierbei entstehen
Ameisensäure und Methanol.
Abbildung 159 Disproportionierung von Formaldehyd zu Ameisensäure und Methanol.
Der Mechanismus dieser Disproportionierungsreaktion ist in folgendem Schema
gezeigt.
112
Abbildung 160 Mechanismus der Disproportionierung von Aldehyden (Cannizzaro-Reaktion).
Bei allgemeinen Aldehyden (R = C-Rest) disproportioniert der Carbonylkohlenstoff von
der Oxidationszahl +I zu den Oxidationszahlen +III (im Carboxylat) und –I (im
Alkoholat).
Das bei der Aldolreaktion von Formaldehyd (siehe Abbildung 158) entstandene Aldol
kann so in einer Cannizzaro-Reaktion zu Pentaerythritol reagieren:
Abbildung 161 Folgereaktion aus der dreifachen Aldoladdition von Formaldehyd an Acetaldehyd zum hochsymmetrischen Pentaerythritol.
Je nach Base können für obige Reaktion unterschiedliche Ausbeuten erzielt werden.
Mit der Base NaOH kann eine Ausbeute von 80 % und mit Mg(OH)2 sogar eine
Ausbeute von 90 % erzielt werden.
113
3.12.7 Aufgaben
Fragen:
1. Formulieren Sie den Mechanismus der Decarboxylierung.
2. Mit welcher Organometallverbindung erreichen Sie eine 1,4-Addition an ein
Enon? Wie erhalten Sie 1,2-Addukte?
3. Beschreiben Sie den Mechanismus der Aldoladdition und Aldolkondensation.
4. Was versteht man unter einem blockierten Aldolakzeptor?
5. Wie reagiert Formaldehyd mit Acetaldehyd?
Mannich-Reaktion
Kapitel 26 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie 2013, 2. Auflage, Springer Verlag
Chapter 27 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organic Chemistry 2001, 1. Auflage, Oxford
Die Umsetzung von einem Enolat mit Formaldehyd führt meist zu mehrfach
Aldoladditionen. Nach drei Aldoladditionen kann das Molekül eine Cannizzaro-
Reaktion unterlaufen (siehe Abbildung 161). Daher eignet sich Formaldehyd nicht als
Aldolakzeptor. Als Alternative hierfür bietet sich die Mannich-Reaktion an.
O
Me2NH, H2CO
kat. HCl
O
NMe2
Abbildung 162 Mannich-Reaktion von Cyclohexanon mit Dimethylamin und Formaldehyd.
Der Mechanismus der Mannich-Reaktion soll in folgender Abbildung gezeigt werden.
114
Abbildung 163 Darstellung des Iminiumkations aus Formaldehyd und Dimethylamin unter saurer Katalyse.
Bei der Mannich-Reaktion kommt es zunächst unter Säurekatalyse und der
Eliminierung von Wasser zur Ausbildung eines Imminiumkations. Beim
Imminiumkation handelt es sich um ein Elektrophil, welches mit einem Enol zu einer
Mannich-Base reagiert:
Abbildung 164 Reaktion des Iminiumkations mit Cyclohexanon zur Mannich-Base.
115
Die in Abbildung 164 entstandene Mannich-Base ist isolierbar, lässt sich aber mit
Methyliodid, einem Methylierungsreagenz, weiter umsetzen, was in nachstehender
Abbildung gezeigt ist.
Abbildung 165 Weiterreaktion der Mannich-Base aus Abbildung 164 zur exozyklischen Methylengruppe.
Der erste Reaktionsschritt in Abbildung 165 ist eine N-Alkylierung mit Methyliodid.
Daraufhin wird Base zugesetzt, wobei das durch Deprotonierung entstandene Enolat
unter Eliminierung von NMe3 zum obigen Produkt mit exozyklischer Doppelbindung
umgesetzt wird.
Insgesamt handelt es sich formal um eine Reaktion mit Formaldehyd, wobei diese
durch die Bildung des Iminium-Ions ermöglicht wird.
Resultat: Bildung einer α,β-ungesättigten Carbonylverbindung
116
Claisen-Esterkondensation
Kapitel 26 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie 2013, 2. Auflage, Springer Verlag
Chapter 28 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organic Chemistry 2001, 1. Auflage, Oxford
Die Claisen-Esterkondensation ist eine Variante der Aldolreaktion. Während bei der
Aldolreaktion Ketone bzw. Aldehyde als Carbonylfunktionen eingesetzt werden,
können auch Estergruppen verwendet werden.
Die Enolatbildung von Aldehyden und Estern verläuft hierbei nach dem gleichen
Mechanismus:
NaOHO
HH
OH
O
H
Na + H2O
NaOEtO
OEtH
OEt
O
OEt
Na + HOEt
EtOH
pKA 25 Ester-Enolat(Konzentration gering)
pKA 13.5
Abbildung 166 Gegenüberstellung der Mechanismen zur Enolatbildung bei Aldehyden und Estern.
Aus Abbildung 166 geht hervor, dass für die Enolatbildung von Estern eine stärkere
Base benötigt wird, als für die Enolatbildung von Aldehyden. Dies ergibt sich aus dem
höheren pKA-Wert für das α-H-Atom von Carbonsäureestern (pKA = 25) im Gegensatz
zu Aldehyden (pKA = 13.5).
Die Mechanismen von der Aldoladdition und der Claisen-Esterkondensation sollen im
Schema auf der nachfolgenden Seite miteinander verglichen werden.
117
Abbildung 167 Vergleich der Mechanismen der Aldoladdition und der Claisen-Esterkondensation zum Enolatanion 26.
Triebkraft der Reaktion ist die Bildung des Enolatanions 26. Die Claisen-
Esterkondensation wird auch als Claisen-Schmidt-Reaktion bezeichnet. Sie ist eine
intermolekulare Reaktion.
3.14.1 Dieckmann-Kondensation
Verläuft die Claisen-Esterkondensation intramolekular, so wird sie Dieckmann-
Kondensation genannt. Bei den hierfür geeigneten Reagenzien handelt es sich um
Diesterverbindungen:
Abbildung 168 Adipinsäurediethylester ist das typische Reagenz einer Dieckmann-Kondensation.
118
Der Mechanismus einer Dieckmann-Kondensation von Adipinsäurediethylester ist in
nachstehender Abbildung gezeigt. Hierbei handelt es sich um einen
Praktikumsversuch im Praktikum der Organischen Chemie.
Abbildung 169 Mechanismus der Dieckmann-Kondensation von Adipinsäurediethylester mit der Base Natriumethanolat.
Die Bildung des Enolatanions ist auch hier die Triebkraft der Reaktion. Mit den so
erhaltenen Produkten sind noch weitere Reaktionen möglich.
Folgechemie:
Das Produkt der Dieckmann-Kondensation ist eine 1,3-Dicarbonylverbindung mit
einem aziden Proton, sodass nach der Deprotonierung beispielsweise eine Alkylierung
mit Methyliodid möglich ist.
Abbildung 170 Methylierung des Dieckmann-Produktes.
119
Michael-Addition
Kapitel 26 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie 2013, 2. Auflage, Springer Verlag
Chapter 29 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organic Chemistry 2001, 1. Auflage, Oxford
Eine konjugierte Addition eines Enolats an ein Enon führt zu einer
1,5-Dicarbonylverbindung und wird als Michael-Addition bezeichnet.
O
R
+O
R´R R´
O O
neue C-C-BindungBase
O
R
O
R´ R R´
O O
H+
Enon Michael-Akzeptor
Abbildung 171 Mechanismus der Michael-Addition zum Produkt, einer 1,5-Dicarbonylverbindung.
Die Michael-Addition wird durch Base katalysiert. Da die Keto-Form gegenüber der
Enol-Form stabiler ist (siehe Kapitel 3.6.1), findet die Protonierung im letzten Schritt in
α-Position und nicht am Sauerstoffatom statt.
120
Zusammenfassung der Enolat-Reaktionen
Die Enolat-Reaktionen lassen sich retrosynthetisch wie folgt zerlegen:
RO
O O
13
1,3-Dicarbonyl
O
RO
O
RO
+Claisen-Ester-kondensation
R
O
1
1,5-Dicarbonyl
O
R
O
R´
Michael-Addition
R´
O
+
R R´
O OH
13
1,3-Keto-Hydroxy
O
R
O
R´
+ Aldolreaktion
5
R R´
O
α,β-ungesättigteCarbonylverbindung
Abbildung 172 Retrosynthetische Betrachtung von Carbonylverbindungen.
Aufgaben
Fragen :
1. Wie verläuft die Mannich-Reaktion?
2. Was ist die Triebkraft der Claisen-Reaktion?
3. Wie können sie 1,3-Dicarbonylverbindungen retrosynthetisch zerlegen.
121
4 N-Nukleophile
In diesem Kapitel sollen Stickstoffnukleophile behandelt werden. Eine wichtige Gruppe
dieser sind die Amine, die Analog zu Alkoholen primär, sekundär oder tertiär vorliegen
können. Ihre Verwendung in der Synthese führt zu unterschiedlichen Produkten. In
diesem Zusammenhang wird die sogenannte Imin-Enamin-Tautomerie behandelt.
Primäre Amine
In Abbildung 173 ist der allgemeine Mechanismus der säurekatalysierten Imin-Bildung,
ausgehend vom nukleophilen primären Amin und dem Elektrophil Aceton gezeigt.
Zunächst wird bei der Reaktion ein Halbaminal gebildet, welches durch Protonierung
mit einer Säure unter Abspaltung von Wasser zum Imin reagiert. Insgesamt handelt es
sich um Gleichgewichtsreaktionen, die über die Reaktionsbedingungen beeinflusst
werden können.
C O R NH2+H+
C
OH
NHR
C N
R
Halbaminaloder Hemiaminal
Imin
-H2O
O
N R
H H
O
NR
H H
H+HO
NH
R
H+H2O
NH
R
N
R
H
C N
R - H2O- H+
Abbildung 173 Allgemeine säurekatalysierte Reaktion einer Carbonylverbindung mit einem primären Amin über das Zwischenprodukt des Halbaminals (vgl. Halbacetal) zum Produkt Imin mit Mechanismus.
122
Zusammenfassend lässt sich die Reaktion aus Abbildung 173 in die folgenden Schritte
einteilen:
1. Addition des Amins
2. Protonierung von CO
3. Deprotonierung des Amins
4. säurekatalysierte H2O-Abspaltung
Weiterhin geht aus Abbildung 173 hervor, dass der Mechanismus zur Iminbildung dem
der bereits in diesem Skript diskutierten Acetalbildung ähnelt. Die beiden
Mechanismen sind zur Beurteilung dessen in Abbildung 174 gegenübergestellt.
Abbildung 174 Gegenüberstellung der Mechanismen zur Acetal- (links) und zur Iminbildung.
Die säurekatalysierten Mechanismen zur Acetal- und zur Iminbildung verlaufen
zunächst parallel. Zu Beginn werden das Halbaminal und analog das Halbacetal
123
gebildet. Nach der Abspaltung von Wasser zum Iminium- und Oxonium-Ion, kommt es
bei der Acetalbildung zu einer erneuten Addition eines Alkohols. Das Oxonium-Ion
reagiert als Nukleophil, während das entstandene Iminium-Ion als Säure reagiert, also
ein Proton abspaltet und zum Imin reagiert.
Für R1=H kann man die C=NH-Gruppe als Stickstoff-Analogon zur Carbonylgruppe
betrachten. Entspricht R1 einem organischen Rest, dann wird dieser als substituiertes
Imin bzw. als Schiff‘sche Base bezeichnet.
Die meisten Imine, vor allem aber unsubstituierte, sind sehr unbeständig und
hydrolysieren leicht zurück zum Amin und der Carbonylverbindung. Stabile Imine
können gebildet werden, wenn das Kohlenstoff- oder das Stickstoffatom mit einer
Phenylgruppe substituiert ist, da somit ein konjugiertes System entsteht (Abbildung
175). Außerdem kann das Gleichgewicht der Reaktion auf die Iminseite verschoben
werden, wenn das gebildete H2O von der Reaktionslösung entfernt wird, z.B. mit einem
Wasserabscheider.
Abbildung 175 Durch Konjugation wird das gebildete Imin stabilisiert.
Anstelle von primären Aminen können auch folgende Edukte verwendet werden, wobei
die Reaktion hier jeweils mit Aceton geschieht:
Abbildung 176 Beispiele weiterer N-Nukleophile und ihrer Produkte aus der Reaktion mit Carbonyl-verbindungen.
124
Sekundäre Amine
Bei der Reaktion von Carbonylverbindungen mit sekundären Aminen können sich
Immonium-Ionen und Enamine bilden. Enamine sind die Stickstoffanalogen der Enole.
OH
Enol
NH2
Enamin
Abbildung 177 Struktur eines Enols und eines Enamins.
Enamine sind im Allgemeinen wie die Enole instabil und wandeln sich daher in das
tautomere Imin um:
NH
N
Enamin Imin
Abbildung 178 Imin-Enamin-Tautomerie.
Ist der Stickstoff eines Enamins tertiär kann diese Tautomerie nicht auftreten und das
Enamin lässt sich isolieren. Dies ist in folgender Abbildung gezeigt.
O
+ H+
OH
+ R2NH
HO NHR2
~H+
H2O NR2NR2
-H2O
H
NR2
Immonium-IonEnamin
- H+
Abbildung 179 Mechanismus der säurekatalysierten Enaminsynthese.
125
Als Zwischenprodukt entsteht ein Immonium-Ion, welches bei fehlendem β-H-Atom als
Endstufe der Reaktion entsteht.
Beachte: Das β-C-Atom eines Enamins entspricht dem α-C-Atom einer
Carbonylverbindung!
4.2.1 Aufgaben
Zum Kapitel 4
Aufgaben:
1. Wie unterscheiden sich die Produkte der Umsetzung von
Carbonylverbindungen mit primären, sekundären und tertiären Aminen?
126
5 Diels-Alder-Reaktion (4 + 2-Cycloaddition)
Kapitel 34 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie 2013, 2. Auflage, Springer Verlag
Chapter 35 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organic Chemistry 2001, 1. Auflage, Oxford
Die Diels-Alder-Reaktion ist eine der wichtigsten Reaktionen zum Aufbau eines
carbocyclischen 6-Rings. Hierbei reagieren ein Dien und ein Dienophil miteinander:
4
1
3
2
6
5
4
1
3
2
6
5
Dien Dienophil Cyclohexen
Abbildung 180 Diels-Alder-Reaktion von Buta-1,3-dien und Ethen zum Produkt Cyclohexen.
Bei der Diels-Alder-Reaktion tritt ein Derivat eines Buta-1,3-diens (Dien genannt) mit
einem Ethenderivat (Dienophil genannt) in Wechselwirkung, wodurch ein
carbozyklischer Sechsring mit einer Doppelbindung entsteht.
Die Bedeutung der Diels-Alder-Reaktion besteht unter Anderem in der hohen
Chemo-, Regio- und Stereoselektivität.
Meist handelt es sich hierbei um eine Reaktion zwischen einem elektronenreichen
Dien und einem elektronenarmen Dienophil. Diese wird Diels-Alder-Reaktion mit
normalem Elektronenbedarf genannt.
Diels-Alder-Reaktion mit normalem Elektronenbedarf
Bei der Diels-Alder-Reaktion mit normalem Elektronenbedarf kommt es zur
Wechselwirkung zwischen dem HOMO des Diens mit dem LUMO des Dienophils.
127
4
1
3
2
6
5
cis-Konformationum 2,3-Bindung
elektronenreiches Dien
HOMO
ϕ1
ϕ2
ϕ3
ϕ4
elektronenarmes Dienophil
LUMO
ϕ1
ϕ2
Abbildung 181 MO-Diagramme der Edukte mit ihrer Elektronenbesetzung bei normalem Elektronenbedarf.
Die Reaktion kann jedoch auch mit einem elektronenarmen Dien und einem
elektronenreichen Dienophil ablaufen. Dies wird als Diels-Alder-Reaktion mit inversem
Elektronenbedarf bezeichnet.
Diels-Alder-Reaktion mit inversem Elektronenbedarf
Bei der Diels-Alder-Reaktion mit inversem Elektronenbedarf reagiert das LUMO des
Diens mit dem HOMO des Dienophils, was in folgender Abbildung gezeigt ist.
4
1
3
2
6
5
elektronenarmes Dien
LUMO
ϕ1
ϕ2
ϕ3
ϕ4
elektronenreiches Dienophil
HOMO
ϕ1
ϕ2
Abbildung 182 MO-Diagramme der Edukte mit ihrer Elektronenbesetzung bei inversem Elektronenbedarf.
128
Anlagerung der Reaktanden
Die Edukte werden durch primäre Orbitalwechselwirkungen in zueinander parallelen
Ebenen ausgerichtet.
4
1
3
2
6
5
primäre Orbital-wechselwirkungen
Diels-Alder mitnormalem Elektronen-bedarf
Diels-Alder mitinversem Elektronen-bedarf
HOMOLUMO
LUMOHOMO
Abbildung 183 Anlagerung der Reaktanden in der Diels-Alder-Reaktion.
Zwei neue Bindungen zwischen den Atomen 1 und 5 bzw. 4 und 6 werden konzertiert
geknüpft.
Die Stereochemie der Diels-Alder-Reaktion wird durch das CIS-Prinzip und die ENDO-
Präferenz bestimmt.
129
5.3.1 CIS-Prinzip
Die relative Konfiguration der Substituenten in den Komponenten des Edukts findet
sich im Addukt wieder.
Abbildung 184 Vier Diels-Alder-Reaktionen, die zeigen, dass die relative Konfiguration während der Reaktion beibehalten wird.
5.3.2 ENDO-Präferenz
Bei der Diels-Alder-Reaktion können zwei verschiedene Produkte, das endo- und das
exo-Produkt entstehen. Diese sind in Abbildung 185 gezeigt.
Abbildung 185 Konstitution und Konfigurationen des bizyklischen Adduktes der Diels-Alder-Reaktion zwischen Cyclopentadien und Maleinsäureanhydrid.
130
Es stellt sich die Frage, welches dieser Addukte stabiler ist. Dazu soll zunächst die
sterische Repulsion des endo- und des exo-Adduktes bewertet werden.
Abbildung 186 Schematische Darstellung der beiden Addukte mit möglichen sterischen Behinderungen.
Aus Abbildung 186 geht hervor, dass es beim endo-Addukt mit der 2-Brücke und beim
exo-Addukt mit der 1-Brücke zur sterischen Behinderung kommt.
⇒ endo-Addukt sterisch anspruchsvoller als exo-Addukt
Allgemein: Es entsteht dasjenige Produkt bevorzugt, das im Übergangszustand mit
einer Sandwich-artigen Vororientierung der Komponenten
korrespondiert, sodass eine maximale Häufung der Doppelbindungen
eintritt.
Die endo-Präferenz soll anhand des Dienophils Maleinsäureanhydrid erklärt werden.
Abbildung 187 MO des Dienophils Maleinsäureanhydrid.
131
Maleinsäureanhydrid ist ein elektronenarmes Dienophil und reagiert mit seinem LUMO
in einer Diels-Alder-Reaktion mit normalem Elektronenbedarf.
4
1
3
2
6
5
primäre Orbital-wechselwirkungen
zwischen 4-6 bzw. 1-5
O
O
O
Atome 2,3 zeigen weg vom Dienophil - exo
4
1
3
2
6
5
sekundäre Orbital-wechselwirkungenzwischen 3-7 bzw.
2-8
Atome 2,3 zeigen hin zum Dienophil - endo
O
O
O
7
8
8
7
Abbildung 188 Anlagerung der Reaktanden im exo- (links) und im endo-Fall (rechts) mit deren Orbitalwechselwirkungen.
Aus Abbildung 188 geht hervor, dass bei einer exo-Anlagerung nur primäre
Orbitalwechselwirkungen zwischen den π–Orbitalen der Atome 1 und 5 bzw. 4 und 6
den Übergangszustand stabilisieren. Im Gegensatz dazu bewirken sekundäre
Orbitalwechselwirkungen zwischen den π–Orbitalen der Atome 2 und dem
Carbonylkohlenstoff 8 bzw. 3 und dem Carbonylkohlenstoff 7 einen energetischen
Vorteil und stabilisieren so den Übergangszustand zusätzlich. Aus diesem Grund hat
die Reaktion zum endo-Addukt eine geringere Aktivierungsenergie (siehe Abbildung
190).
Die endo- und die exo-Anlagerung und die daraus entstehenden Produkte sollen in
der folgenden Abbildung gezeigt werden.
132
Abbildung 189 Reaktionsverlauf, Übergangszustand und Stereochemie des Produkts der Diels-Alder-Reaktion mit endo- und exo-Anlagerung.
Ein Energiediagramm der Diels-Alder-Reaktion ist im nachstehenden Schema gezeigt:
Abbildung 190 Energiediagramm der Diels-Alder-Reaktionen von Cyclopenta-1,3-dien mit Maleinsäureanhydrid zum exo- und endo-Addukt.
133
Das exo-Addukt der Diels-Alder-Reaktion ist das thermodynamisch stabilere Produkt,
da es weniger sterische Hinderungen aufweist. Jedoch entsteht bei der Diels-Alder-
Reaktion meist das endo-Addukt, da der Übergangszustand durch die sekundären
Orbitalwechselwirkungen eine niedrigere Aktivierungsenergie, im Vergleich zu dem
Übergangszustand, der zum exo-Addukt führt, benötigt.
⇒ endo-Addukt ist das kinetische Produkt
134
Zusätzliches Material
Dieser Teil des Skripts enthält zusätzliches Material, welches nicht bzw. nur bei ausreichend Zeit in der Vorlesung besprochen wird.
Inhalt:
6 Substitutionen am Aromaten 6.1 Elektrophile aromatische Substitution (SEAr) 6.2 Nukleophile aromatische Substitution (SNAr)
135
6 Substitutionen am Aromaten
Substitutionsreaktionen am Aromaten können entweder nukleophil oder elektrophil
ablaufen und stellen eine wichtige Reaktionsklasse in der organischen Chemie dar.
Die elektrophile Substitution ist hierbei häufiger, als die nukleophile Substitution, da es
sich bei Aromaten meist um sehr elektronenreiche Verbindungen handelt. Im Zuge
dieses Kapitels sollen sowohl die elektrophile als auch die nukleophile aromatische
Substitution vorgestellt werden.
Elektrophile aromatische Substitution (S EAr)
Kapitel 21 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie 2013, 2. Auflage, Springer Verlag
Chapter 22 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organic Chemistry 2001, 1. Auflage, Oxford
Bei den meisten aromatischen Verbindungen handelt es sich um elektronenreiche
Verbindungen, welche aufgrund dessen elektrophil angegriffen werden können.
Allgemein wird dabei ein aromatisches Wasserstoffatom durch das Elektrophil ersetzt:
H E
E (Elektrophil)+H
Abbildung 191 Allgemeines Schema der elektrophilen aromatischen Substitution.
Im Folgenden soll näher auf den Mechanismus eingegangen werden.
6.1.1 Mechanismus
Allgemein lässt sich die elektrophile aromatische Substitution in zwei Schritte
unterteilen.
Zunächst erfolgt der Angriff des Aromaten an das Elektrophil, wobei ein Carbokation
entsteht. Unter Abgabe eines Protons erfolgt im Anschluss die Rearomatisierung.
136
Abbildung 192 Mechanismus der elektrophilen aromatischen Substitution.
Das Elektrophil lagert sich zunächst am Aromaten an, wobei es sich um den
π-Komplex handelt. Daraufhin wird das Elektrophil vom Aromaten nukleophil
angegriffen. Es bildet sich der σ-Komplex, dessen positive Ladung über das
aromatische System delokalisiert ist (siehe Abbildung 193). Durch die Delokalisierung
wird der σ-Komplex stabilisiert. Das hier entstehende Kation wird auch Arenium-Ion
oder Wheland-Komplex genannt. Durch Deprotonierung an dem sp2-hybridisierten C-
Atom wird das aromatische und sehr stabile System wieder hergestellt. Die
Stabilisierung der positiven Ladung über das aromatische System lässt sich wie folgt
darstellen:
Abbildung 193 Delokalisierung der positiven Ladung im σ-Komplex.
6.1.2 Reaktionsbedingungen
Dieses Kapitel beschäftigt sich mit der Natur des Elektrophils, der Abgangsgruppe und
mit dem Einfluss verschiedener Substituenten am Aromaten auf die Reaktion.
6.1.2.1 Das Elektrophil
Damit die Reaktion stattfinden kann, muss das Elektrophil eine gewisse Stärke
aufweisen. So läuft die Reaktion zwischen Brom und Benzol nur mit AlCl3 als
Katalysator ab (siehe Abbildung 194).
137
Abbildung 194 Substitution von Brom am Benzol mit AlCl3.
Durch Zugabe der Lewis-Säure AlCl3 ist die Reaktion erst möglich, da diese durch
Koordination an das Brommolekül eine erhöhte Polarisation erzeugt (Abbildung 195).
Dadurch wird Brom zu einem so starken Elektrophil, dass es zur Reaktion mit Benzol
kommt.
Abbildung 195 Mechanismus der elektrophilen aromatischen Substitution von Brom am Benzol mit AlCl3.
Allgemein müssen Elektrophile für die elektrophile aromatische Substitution am Benzol
also positiv geladen oder wenigstens stark polarisiert sein.
Weitere gute Elektrophile für elektrophile aromatische Substitutionen sind
Carbokatione, Iodchlorid, andere polarisierte Halogene (z.B. Iod) oder der
Carbonylkohlenstoff der Carbonylgruppe.
6.1.2.2 Die Abgangsgruppe
In der Regel handelt es sich bei der Abgangsgruppe um ein Proton, welches eine sehr
gute Abgangsgruppe darstellt.
6.1.2.3 Die Substituenten
Bei dem aromatischen Edukt muss es sich nicht zwingend um Benzol handeln. Im
Gegenteil können substituierte Benzolderivate reaktiver sein, da
elektronenschiebende Substituenten die Reaktivität des aromatischen Systems
erhöhen. Gleichzeitig nehmen unterschiedliche Substituenten Einfluss auf die Position
138
an der die Substitution stattfinden wird. Bei der Wahl der Substituenten sind deren
Eigenschaften demnach von großer Bedeutung.
Es sollen im Folgenden unterschiedlich substituierte Aromaten behandelt werden.
(a) σ-Donor Substituenten
Diese Klasse der Substiuenten dirigiert die Substitution an ortho- und para-Position.
Beispiele für σ-Donor Substituenten sind folgende:
Abbildung 196 σ-Donor Substituenten Toluol und Phenol.
Wird Toluol (Methylbenzol) oder Phenol (Hydroxybenzol) in einer elektrophilen
aromatischen Substituion verwendet, findet diese bevorzugt an ortho- oder para-
Position zu der Methyl- bzw. Hydroxygruppe statt.
Die Reaktivitäten für Phenol und Toluol sollen in den folgenden Abschnitten ergründet
werden.
Das Sauerstoffatom im Phenol besitzt einen +M-Effekt, da es freie Elektronenpaare
aufweist, welche mit dem π-System des Aromaten konjugieren können (siehe
Abbildung 197). Doniert das Sauerstoffatom eines der freien Elektronenpaare in das
aromatische System, kommt es zu einer Verschiebung der Elektronendichte. Bei der
Betrachtung der mesomeren Grenzstrukturen wird deutlich, dass die Elektronendichte
nur an den Kohlenstoffatomen in ortho- oder para-Position erhöht wird und diese
nukleophil reagieren können.
Abbildung 197 Mesomere Grenzstrukturen für Phenol.
139
Die Methylgruppe in Toluol besitzt allerdings kein freies Elektronenpaar, welches es in
den Aromaten donieren kann. Auch der positive, induktive Effekt, der zwischen dem
sp3-hybridisierten Kohlenstoff der Methylgruppe und dem
sp2-hybridisierten Kohlenstoff in ipso-Position entsteht, kann nicht die Ursache sein.
Dies würde schließlich bedeuten, dass die Elektronendichte in ipso-Position am
höchsten ist, sodass die Substitution bevorzugt dort stattfinden würde.
Auch hier kommt es allerdings zur bevorzugten Substitution in ortho- oder para-
Position.
Tatsächlich kann die Methylgruppe ähnlich wie die Hydroxygruppe in das π-System
des Aromaten konjugieren. Während es sich bei der Hydroxygruppe dabei um das freie
Elektronenpaar des Sauerstoffs handelt, interagiert bei der Methylgruppe eine C-H
σ-Bindung mit dem Aromaten. Diese σ-Konjugation ist ähnlich zu der oben gezeigten
Konjugation des Toluols, jedoch weniger stark.
Anzumerken bleibt weiterhin, dass beispielsweise das Sauerstoffatom im Phenol
neben dem +M-Effekt auch einen –I-Effekt aufweist. Dieser ist jedoch im Gegensatz
zum +M-Effekt vernachlässigbar.
Zusammenfassend dirigieren Substituenten mit einem +M- oder +I-Effekt die
Substitution an ortho- oder para-Position.
(b) Elektronenziehende Substituenten
Diese Substituenten dirigieren die Substitution an meta-Position.
Im Gegenteil zu elektronenschiebenden Gruppen, werden Elektronenakzeptoren auch
als deaktivierende Gruppen bezeichnet. Im Folgenden sind die wirkungsvollsten und
bekanntesten aufgezeigt:
Abbildung 198 Beispiele für Aromaten mit elektronenziehenden Substituenten.
Trifluormethyl besitzt zwar keine positive Ladung, da Fluor allerdings die höchste
Elektronegativität aller Elemente besitzt und da es sich um insgesamt drei Fluoratome
handelt, ist die positive Partialladung mit einer tatsächlich positiven Ladung
gleichzusetzen. Betrachtet man die mesomeren Grenzstrukturen, lässt sich erklären,
140
warum diese elektronenziehenden Reste zu einer Substitution in meta-Position führen.
Dies soll am Beispiel des Nitrobenzols gezeigt werden:
Abbildung 199 Mesomere Grenzstrukturen des Nitrobenzols.
Prinzipiell entziehen deaktivierende Substituenten dem aromatischen System
Elektronen. Sie besitzen also einen -M-Effekt und der Aromat wird weniger reaktiv für
die elektrophile aromatische Substitution. Die mesomeren Grenzstrukturen in
Abbildung 199 zeigen, dass eine Substitution in ortho- oder para-Position
unwahrscheinlich ist, da die positive Ladung in den Grenzstrukturen an diesen Stellen
lokalisiert ist. Die einzigen Positionen, an denen die Elektronendichte nicht verändert
wird, sind die meta-Positionen und die ipso-Position. Letztere Position ist allerdings
aus sterischen Gründen von möglichen Substitutionen auszuschließen. Demnach
bleibt die meta-Position die einzige Stelle, an der die elektrophile aromatische
Substitution stattfinden kann.
(c) Halogen-Substituenten
Halogen-Substituenten reduzieren die Nukleophilie des Aromaten, dirigieren jedoch in
ortho- und para-Position.
Dies ist möglich, weil die Effekte der Mesomerie und der Induktion gegeneinander
gerichtet sind. Halogene besitzen einen +M- und einen –I-Effekt. Sie weisen drei freie
Elektronenpaare auf, mit denen sie Elektronendichte in den Ring schieben können.
Allerdings ist die Überlappung der 2p-Orbitale der aromatischen Kohlenstoffatome mit
den p-Orbitalen von Chlor, Brom und Iod aufgrund deren Größe und Energie gering.
Die Orbitalüberlappung mit Fluor ist wesentlich ausgeprägter, jedoch ist die
Elektronegativität von Fluor so hoch, dass kaum Elektronendichte übertragen wird.
Aus diesen Gründen ist die Reaktionsgeschwindigkeit für die elektrophile aromatische
Substitution mit Halogensubstituenten im Gegensatz zu Substituenten mit +M-Effekt
stark herabgesetzt.
141
Durch den Induktiven Effekt wird der para-Position am wenigsten Elektronendichte
entzogen. Aufgrund des mesomeren Effektes wird die Elektronendichte in ortho- und
para-Position erhöht.
Kombiniert man diese Effekte, so ist die Substitution an para-Position am
wahrscheinlichsten. Die Substitution an ortho-Position ist aufgrund des mesomeren
Effekts ebenfalls wahrscheinlich, wohingegen die Substitution an der meta-Position
kaum beobachtet werden sollte.
6.1.3 Reaktionskinetik
Die elektrophile aromatische Substitution kann in zwei Teilschritte aufgeteilt werden.
Dabei handelt es sich einmal um den Schritt, in dem die Aromatizität verloren geht und
um den weiteren Schritt der Rearomatisierung. Da ein aromatisches System
energetisch sehr günstig ist, müssen sich diese beiden Schritte in ihrer Kinetik
unterscheiden.
Der erste Schritt, bei dem die Aromatizität verloren geht, führt zu einem instabileren
Produkt, ist also ungünstiger und muss demnach langsam ablaufen.
Der zweite Schritt, vom Kation zum Endprodukt, wird durch die Bildung des stabilen
Aromaten getrieben und läuft daher sehr schnell ab. Die Bildung des kationischen
Intermediats ist demnach geschwindigkeitsbestimmend.
6.1.4 Friedel-Crafts-Alkylierung
Bei der Friedel-Crafts Alkylierung reagiert ein Carbokation als Elektrophil welches für
die nukleophile Substitution am Aromaten verwendet wird. Die aliphatischen Reste am
Halogenid verknüfpten zentralen C-Atoms sind für die Stabilität des Carbokations und
somit für den Erfolg der Reaktion von großer Bedeutung. Chlormethan oder
Chlorethan sind beispielsweise nicht in der Lage ein stabiles Carbokation zu bilden.
Das Kations des tert-Butylchlorids ist durch die +I-Effekte der Methylgruppen
stabilisiert und eignet sich daher gut als Reagenz. Für diese Reaktion ist ebenfalls eine
Lewis-Säure notwendig, um die Bindung zwischen Halogenid und zentralem C-Atom
zu polarisieren. In folgender Abbildung ist die Reaktion von Benzol mit tert-Butylchlorid
zu tert-Butylbenzol gezeigt.
142
Abbildung 200 Friedel-Crafts-Alkylierung am Benzol mit tert-Butylchlorid und AlCl3.
6.1.5 Friedel-Crafts-Acylierung
Neben der Friedel-Crafts-Alkylierung ist auch die Friedel-Crafts-Acylierung von großer
Bedeutung. Hierbei entsteht ein Aryl-Keton. Das entstehende Kation ist hier über die
Carbonylkomponente mesomerie-stabilisiert. Zur Aktivierung der Acyl-Komponente
wird ebenfalls eine Lewis-Säure benötigt.
Abbildung 201 Friedel-Crafts-Acylierung von Benzol und Acetylchlorid zu Acetophenon.
143
Nukleophile aromatische Substitution (S NAr)
Kapitel 22 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie 2013, 2. Auflage, Springer Verlag
Chapter 23 in J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organic Chemistry 2001, 1. Auflage, Oxford
Die nukleophile aromatische Substitution ist wesentlich seltener als die elektrophile
aromatische Substitution, da der Aromat hier als Elektrophil reagiert. Aromaten weisen
jedoch meist eine hohe Elektronendichte auf.
Im Folgenden sollen zwei Modelle für den Mechanismus der Reaktion vorgestellt
werden.
6.2.1 Mechanismus
(a) SN1 und SN2
Ein Aromat ist ein sp2-hybridisiertes System, dessen Substituenten planar zu den
sp2-Orbitalen des konjugierten Systems außerhalb des Rings liegen. Ein
Mechanismus, nach der Vorstellung des SN2-Mechanismus ist also nicht möglich, da
sich das Nukleophil hierfür innerhalb des Rings annähern und der Angriff von dieser
Seite erfolgen müsste. Zusätzlich würde die Inversion des betroffenen
Kohlenstoffatoms zu einer sterisch stark ungünstigen Konformation des Ringes führen
(siehe Abbildung 202). Der Mechanismus kann also nicht SN2-artig sein.
OH-Br
Br
OH-Br
OH
HO
Br
OH
Abbildung 202 SN2 Mechanismus bei der nukleophilen Substitution oben am Bromcyclohexan und unten am Brombenzol.
Auch verläuft die Reaktion nicht nach dem SN1-Mechanismus. Ein Mechanismus nach
SN1 benötigt zunächst eine gute Abgangsgruppe, die ein Kation zurücklässt. Das aus
dem Aromaten gebildete Aryl-Kation ist jedoch sehr ungünstig, da es sich bei dem
leeren Orbital nicht um ein vom Ring stabilisiertes p-Orbital handelt, sondern um ein
144
sp2-hybridisiertes Orbital. Die Ladung kann daher nicht über den Ring delokalisiert
werden, weshalb dieser Mechanismus nur in Ausnahmefällen geschieht.
b) Additions-Eliminierungs-Mechanismus
Beim Additions-Eliminierungs-Mechanismus greift das Nukleophil zunächst ein
substituiertes Kohlenstoffatom des Aromaten an.
Durch den Angriff wird dieser Kohlenstoff sp3-hybridisiert und es entsteht eine negative
Ladung am Aromaten. Diese ist durch eine elektronenziehende Gruppe stabilisiert.
Indem das begünstigte, aromatische System wieder hergestellt wird (alle C-Atome sp2-
hybridisiert), tritt die Abgangsgruppe mit den ehemaligen Bindungselektronen aus dem
Molekül. Ein Beispiel für den Additions-Elimierungs-Mechanismus ist in folgender
Abbildung gezeigt:
Abbildung 203 Nukleophile aromatische Substitution nach dem Additions-Eliminierungs-Mechanismus.
6.2.2 Reaktionsbedingungen
Für die nukleophile aromatische Substitution werden eine geeignete Abgangsgruppe
und elektronenziehende Reste am Aromaten benötigt. Auf diese zwei Faktoren soll im
Folgenden eingegangen werden.
6.2.2.1 Abgangsgruppen
Für die Reaktion sind gute Abgangsgruppen notwendig. An einem Kohlenstoffatom mit
einem Wasserstoffatom wird die Reaktion nicht stattfinden, da ein H--Ion eine
schlechte Abgangsgruppe ist. Gute Abgangsgruppen müssen nicht zwangsläufig
elektronenziehende Gruppen sein. Sie sind oftmals Halogenide und besitzen einen
-I-Effekt, dürfen allerdings nicht zu basisch sein.
145
6.2.2.2 Elektronenziehende Substituenten
Damit die Addition an das Ringsystem geschehen kann, muss dieses weiterhin einen
Substituenten mit –M- Effekt aufweisen, um die negative Ladung zu stabilisieren.
Carbonyl-, Nitro oder Cyanidgruppen eignen sich dafür besonders gut. Allerdings ist
der mesomere Effekt nicht die einzige Bedingung an den Substituenten. Auch dessen
Stellung zur Abgangsgruppe ist entscheidend. Der Einfluss der Stellung zur
Abgangsgruppe soll im Folgenden behandelt werden.
a) ortho-Stellung zur Abgangsgruppe
Dieser Fall wurde in Abbildung 203 bereits behandelt. Hierbei befindet sich die
elektronenziehende Carbonylgruppe in der ortho-Position zur Abgangsgruppe und
kann die Elektronen, welche durch den Angriff des Amins verschoben werden,
mesomeriestabilisieren.
b) meta-Stellung zur Abgangsgruppe
Ein Beispiel hierfür ist in folgender Abbildung gezeigt.
F
O
R2NH
Abbildung 204 Nukleophile aromatische Substitution mit elektronenziehender Gruppe in meta-Stellung zur Abgangsgruppe.
In der meta-Stellung ist die Carbonylgruppe nicht mit dem Ring konjugiert. Daher kann
eine nukleophile aromatische Substitution mit elektronenziehender Gruppe in meta-
Position zur Abgangsgruppe nicht stattfinden.
c) para-Stellung zur Abgangsgruppe
Zuletzt kann sich die Abgangsgruppe in para-Position zum elektronenziehenden
Substituenten befinden, was in nachstehender Abbildung gezeigt ist.
146
Abbildung 205 Nukleophile aromatische Substitution mit elektronenziehender Gruppe in para-Stellung zur Abgangsgruppe.
Aus Abbildung 205 geht hervor, dass ein Substituent in para-Stellung die Substitution
ebenfalls begünstigt.
Insgesamt lässt sich sagen, dass Substituenten mit –M-Effekt in ortho- oder para-
Stellung zur Abgangsgruppe die nukleophile aromatische Substitution begünstigen, da
sie den Übergangszustand stabilisieren, während Substituenten in meta-Stellung dies
nicht ermöglichen.